Принцип работы автомобильной турбины: Система турбонаддува — принцип работы турбины, устройство турбокомпрессора автомобиля

Что такое гоночная история газотурбинных двигателей?

Газотурбинные двигатели неоднократно экспериментировались в гонках, поскольку основные проблемы, с которыми сталкивались потребители (а именно, низкий расход топлива и шум), были гораздо меньшими проблемами для гоночных команд.

Самые успешные автомобили были выставлены гоночной командой STP на различных гонках Инди в 60-х годах, начиная с модели STP Paxton Turbocar, управляемой Парнелли Джонсом.Приведенный в действие газотурбинным вертолетным двигателем ST6, расположенным слева от водителя, он производил 550 лошадиных сил, имел привод на четыре колеса и имел управляемый водителем воздушный тормоз для замедления. Автомобиль был быстрым — лидировал почти на всех 196 кругах гонки Индианаполис 500 1967 года — но отказ подшипника вынудил сойти с дистанции, оставив восемь миль до конца гонки. В 1968 году машина была разбита во время тренировок и больше никогда не участвовала в гонках.

Lotus 56 последовал за ним по пятам, пытаясь выиграть Indianapolis 500 с культовым клиновидным профилем открытых колесных автомобилей Lotus на десятилетие вперед, но с тем же газотурбинным двигателем ST6, который приводил в движение STP Paxton Turbocar.Несмотря на правила USAC (руководящий орган гонок Indy в то время), предписывающие размеры воздухозаборников, которые почти полностью исключили автомобили с турбинным двигателем из гонок, 56 попытался восполнить недостаток мощности с помощью усовершенствованной подвески и сложной аэродинамики.

Автомобиль, к сожалению, убил водителя Майка Спенса, когда он неправильно рассчитал поворот на практике и врезался в стену поворота. Кэрролл Шелби немедленно отозвал свои другие автомобили с турбинным двигателем из 500, заявив, что невозможно безопасно сделать гоночный автомобиль с турбинным двигателем конкурентоспособным.USAC быстро перешел к полному запрету газотурбинных автомобилей в Инди, что означало смерть 56-го. В сезоне F1 1971 года он прожил недолго, но так и не добился успеха.

Интересные факты о газотурбинных двигателях

Вы знаете, что хотите больше фактов о газотурбинных двигателях!

• Chrysler Turbine 1963 года имела скудные 130 л.с., но шокирующие 425 фунт / фут крутящего момента. в состоянии покоя.
• Me 262 во время Второй мировой войны имел коэффициент уничтожения более 5: 1 за период его использования, с 542 убийствами союзников и скудными 100 уничтоженными Me 262.
• Lotus 56, пилотируемый Майком Спенсом, показал второй самый быстрый круг в истории автодрома Индианаполиса в 1968 году — 169,6 миль в час — всего за несколько часов до того, как убил Спенса.
• Volkswagen однажды построил прототип эркерного автобуса с турбинным двигателем, который они намеревались производить, когда эффективность и стоимость будут удовлетворительными… все еще ждут этого.
• Турбинный автомобиль Howmet TX по сей день является единственным автомобилем с турбинным двигателем, который выиграл гонку — две региональные гонки SCCA в 1968 году.

Давайте поговорим, комментарий ниже, чтобы поговорить с редакторами

Мы здесь, чтобы быть экспертами во всем, что связано с практическими рекомендациями.Используйте нас, хвалите нас, кричите на нас. Прокомментируйте ниже, и давайте поговорим! Вы также можете написать нам в Twitter или Instagram, вот наши профили.

Джонатон Кляйн: Twitter (@ jonathon.klein), Instagram (@jonathon_klein)

Тони Маркович: Twitter (@T_Marko), Instagram (@t_marko)

Крис Тиг: Twitter (@TeagueDrives), Instagram (@TeagueDrives)

Виктория Скотт: Twitter (@mikurubaeahina), Instagram (@reimuracing)

Видео

Посмотрите видео полностью работоспособного автомобиля Chrysler Turbine 1963 года Джея Лено ниже!

Двигатель внутреннего сгорания — Energy Education

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются наиболее распространенной формой тепловых двигателей, поскольку они используются в транспортных средствах, лодках, кораблях, самолетах и ​​поездах.Они названы так потому, что топливо воспламеняется для выполнения работы внутри двигателя. ^[1] В качестве выхлопных газов выбрасывается та же смесь топлива и воздуха. Это можно сделать с помощью поршня (так называемого поршневого двигателя) или турбины.

Закон об идеальном газе

Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают по принципу закона идеального газа: [math] pV = nRT [/ math]. Повышение температуры газа увеличивает давление, которое заставляет газ расширяться. ^[1] Двигатель внутреннего сгорания имеет камеру, в которую добавлено топливо, которое воспламеняется для повышения температуры газа.

Когда в систему добавляется тепло, это заставляет внутренний газ расширяться. В поршневом двигателе это заставляет поршень подниматься (см. Рисунок 2), а в газовой турбине горячий воздух нагнетается в камеру турбины, вращая турбину (Рисунок 1). Присоединяя поршень или турбину к распределительному валу, двигатель может преобразовывать часть энергии, поступающей в систему, в полезную работу. ^[2] Для сжатия поршня в двигателе прерывистого внутреннего сгорания двигатель выпускает газ.Затем используется радиатор, чтобы система работала при постоянной температуре. Газовая турбина, которая использует непрерывное горение, просто выбрасывает свой газ непрерывно, а не по циклу.

Поршни и турбины

Двигатель, в котором используется поршень , называется двигателем прерывистого внутреннего сгорания , тогда как двигатель, в котором используется турбина , называется двигателем непрерывного внутреннего сгорания .Разница в механике очевидна из-за названий, но разница в использовании менее очевидна.

Поршневой двигатель чрезвычайно отзывчив по сравнению с турбиной, а также более экономичен при низкой мощности. Это делает их идеальными для использования в транспортных средствах, так как они также запускаются быстрее. И наоборот, турбина имеет превосходное отношение мощности к массе по сравнению с поршневым двигателем, а ее конструкция более надежна для продолжительной работы с высокой выходной мощностью. Турбина также работает лучше, чем поршневой двигатель без наддува, на больших высотах и ​​при низких температурах.Его легкий вес, надежность и возможность работы на большой высоте делают турбины предпочтительным двигателем для самолетов. Турбины также широко используются на электростанциях для выработки электроэнергии.

Двигатель четырехтактный

главная страница

Хотя существует множество типов двигателей внутреннего сгорания, четырехтактный поршневой двигатель (рис. 2) является одним из самых распространенных.Он используется в различных автомобилях (которые, в частности, используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы. Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня. Справа есть анимация четырехтактного двигателя и дальнейшее объяснение процесса ниже.

1. Топливо впрыскивается в камеру.
2. Топливо загорается (в дизельном двигателе это происходит иначе, чем в бензиновом).
3. Этот огонь толкает поршень, что является полезным движением.
4. Отходы химикатов, по объему (или массе) это в основном водяной пар и диоксид углерода. Могут быть загрязнители, а также окись углерода от неполного сгорания.

Двухтактный двигатель

главная страница

Как следует из названия, системе требуется всего два движения поршня для выработки энергии. Основным отличительным фактором, который позволяет двухтактному двигателю работать только с двумя движениями поршня, является то, что выпуск и впуск газа происходят одновременно, ^[6] , как показано на рисунке 3.Сам поршень используется в качестве клапана системы вместе с коленчатым валом для направления потока газов. Кроме того, из-за частого контакта с движущимися компонентами топливо смешивается с маслом для добавления смазки, что обеспечивает более плавный ход. В целом двухтактный двигатель содержит два процесса:

1. Воздушно-топливная смесь добавляется, и поршень движется вверх (сжатие). Впускной канал открывается из-за положения поршня, и топливовоздушная смесь поступает в удерживающую камеру.Свеча зажигания воспламеняет сжатое топливо и начинает рабочий такт.
2. Нагретый газ оказывает высокое давление на поршень, поршень движется вниз (расширение), отработанное тепло отводится.

Роторный двигатель (Ванкеля)

главная страница

В двигателе этого типа имеется ротор (внутренний круг обозначен буквой «B» на рисунке 4), который заключен в корпус овальной формы.Он выполняет стандартные этапы четырехтактного цикла (впуск, сжатие, зажигание, выпуск), однако эти этапы выполняются 3 раза за один оборот ротора — создавая трех тактов мощности за один оборот .

Для дальнейшего чтения

Список литературы

1. ↑ ^{1.0 1.1} Р. Д. Найт, «Тепловые двигатели и холодильники» в журнале Физика для ученых и инженеров: стратегический подход, 3-е изд. Сан-Франциско, США: Pearson Addison-Wesley, 2008, гл.19, сек 2, с. 530
2. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 5-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Брукс / Коул, 2013, глава 4, стр.93-122
3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Jet_engine.svg
4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
5. ↑ «Файл: Двухтактный двигатель.gif — Wikimedia Commons «, Commons.wikimedia.org, 2018. [Online]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Two-Stroke_Engine.gif.[ Доступно: 17 мая 2018 г.].
6. ↑ С. Ву, Термодинамика и тепловые циклы. Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2007.
7. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fc/Wankel_Cycle_anim_en.gif

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Криса Вудфорда.Последнее изменение: 18 февраля 2021 г.

Не бывает идеального изобретения: мы всегда можем сделать что-нибудь лучше, дешевле, более эффективный или более экологически чистый. Возьмите внутренний двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может сбросить вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать иначе. Но это всегда можно построить двигатель, который будет работать быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —a пара вентиляторов, которые используют отработанную мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, обеспечивая больше «привлекательности», чем в противном случае получать.Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте присмотритесь!

Фото: В типичном автомобильном турбокомпрессоре используется пара таких вентиляторов в форме улитки. Тот, который вы видите здесь, — это Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора любезно предоставлено ВМС США.

Что такое турбокомпрессор?

Фото: два вида безмасляного турбокомпрессора, разработанного НАСА. Фото любезно предоставлено Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).

Вы когда-нибудь видели, как мимо вас проносятся машины, из выхлопной трубы которых струится сажа? Очевидно, выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше очевидно, что они одновременно тратят энергию. Выхлоп смесь горячих газов, откачиваемых на скорости, и вся энергия в ней содержит — тепло и движение (кинетическая энергия) — исчезает бесполезно в атмосферу. Было бы здорово, если бы двигатель Могли ли как-то использовать эту бесполезную энергию, чтобы машина ехала быстрее? Именно это и делает турбокомпрессор.

Автомобильные двигатели получают энергию за счет сжигания топлива в прочных металлических канистрах, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр смешивается с топливом и горит, чтобы произвести небольшой взрыв который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля. Когда поршень возвращается внутрь, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в качестве выхлопа. Количество мощности Производительность автомобиля напрямую зависит от того, насколько быстро он сжигает топливо. В у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее можешь идти.

Один из способов ускорить движение автомобиля — это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндры в обычном семейном автомобиле. Другой вариант — использовать турбонагнетатель, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простой, относительно дешевый, дополнительный немного обвеса, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию турбонагнетателя автомобиля.А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух из спины. В виде горячий воздух уходит, он с ревом проносится мимо турбины (что-то вроде очень компактная металлическая ветряная мельница), которая приводит в движение компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это бит, который нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть должным образом. Турбокомпрессор на автомобиле применяет очень принцип аналогичен поршневому двигателю. Он использует выхлопные газы для водить турбину.Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива каждый второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше мощности (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»). Нагнетатель (или «нагнетатель с механическим приводом», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отходов энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию от собственного источника энергии автомобиля (коленчатого вала), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор), установленные на одном валу. Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Как на практике работает турбонаддув? Турбокомпрессор — это два маленьких вентилятора (также называемых крыльчатками). или газовые насосы), сидящие на одном металлическом валу, так что оба вращаются все вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в выхлопная струя из цилиндров.Когда цилиндры выдувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, с которым они соединены (технически называемый узлом вращения центральной ступицы или CHRA) также вращается. Второй вентилятор называется , компрессор и, поскольку он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, так что, вращаясь, он втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Теперь здесь небольшая проблема. Если сжать газ, он станет горячее (вот почему велосипедный насос нагревается, когда вы начинаете накачивать шины).Горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и меньше эффективны для сжигания топлива, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, был охлажден перед входом цилиндры. Для его охлаждения мощность компрессора проходит через над теплообменником, который удаляет дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — подробнее

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен (и питает) компрессор (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель.Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух, а затем снова его выдувает.
4. Горячий сжатый воздух от компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра.Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он быстрее производит энергию и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выхлопное отверстие.
8. Горячие выхлопные газы, обдувающие турбинный вентилятор, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (показан здесь бледно-оранжевой линией).Итак, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, расходуя меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было соединить примерно так. Турбина (красная справа) забирает отработанный воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который забирает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленую) между турбиной и компрессором.

Иллюстрация: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдано 24 мая 2011 г. Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры придают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступать напрямую из отработанных выхлопных газов, что иногда сбивает людей с толку.С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для приведения в действие компрессора, что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — вот где дополнительная мощность автомобиля происходит от. Все выхлопные газы приводят в действие турбокомпрессор и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он не напрямую, каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля. Это просто включение один и тот же двигатель для более быстрого сжигания топлива, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной мощности вы можете получить?

Если турбокомпрессор дает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это даже больше мощности. Теоретически вы можете продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры такие большие, и топлива они могут сжечь ровно столько, сколько нужно. Через впускное отверстие определенного размера вы можете втолкнуть в них столько воздуха, сколько выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для приведения в действие турбокомпрессора.Другими словами, в игру вступают и другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; нельзя просто турбонаддувом проложить себе путь до бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете четко видеть два вентилятора / нагнетателя (один над другим) и их вход / выход. Фото любезно предоставлено Армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и более или менее на любых вид транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность. для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом цилиндре генерирует большую мощность, чем в противном случае). Однако чем больше мощность, тем выше выход энергии в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что вы должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать, соответственно, больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбонагнетателем не более экономичен, чем двигатель без него.Однако на практике двигатель, оснащенный турбонагнетателем, намного меньше и легче, чем двигатель, производящий такую ​​же мощность без турбонагнетателя, поэтому автомобиль с турбонагнетателем может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Производители теперь часто могут обойтись без установки гораздо меньшего двигателя на тот же автомобиль (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: при хорошей работе они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива.Поскольку они сжигают топливо с большим количеством кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, вызывая меньшее загрязнение воздуха.

« Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, проданных в США, будут оснащаться одним двигателем. ”

The New York Times, 2018

Большая мощность при том же размере двигателя — это замечательно, так почему же не все двигатели имеют турбонаддув? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбокомпрессорами, не всегда оказывались столь впечатляющими, как утверждали производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом над своими конкурентами).Одно исследование 2013 года, проведенное Consumer Reports, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом дают значительно худшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические хвастовства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. Есть более эффективные способы экономить топливо, в том числе гибриды, дизели и другие передовые технологии ». Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще немало вещей, которые могут пойти не так.Это может значительно удорожать обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны испытывать более высокие давления и температуры, что может привести к более быстрому выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом служат не так долго. Даже вождение с турбонаддувом может отличаться: поскольку турбонагнетатель приводится в действие выхлопными газами, часто наблюдается значительная задержка («турбо-задержка») между тем, когда вы нажимаете ногу на акселератор, и моментом включения турбонаддува, и это может сделать турбонаддув. машины очень разные (а иногда и очень хитрые) в управлении.В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, активно разрабатывают частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Гарретта называется E-Turbo, а предложение Борга — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бючи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. Как и в случае с турбонагнетателем, который я проиллюстрировал выше, в его оригинальной конструкции использовался приводной от выхлопа вал турбины для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя.Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.

Бючи была не единственной важной фигурой в истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением ступеней сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это немного похоже на наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое может быть сожжено.Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Изображение: один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бючи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро понять его смысл. Вы можете увидеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопные газы из цилиндра проходят по трубе (зеленого цвета), приводящей в движение турбину.Он подключен к оранжевому «нагнетателю» (компрессору) и охладителю (синий ящик), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубу. Есть множество других сложных деталей, но я не буду вдаваться во все детали; Если вам интересно, взгляните на патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через Google Patents). Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На этом сайте

Книги для старших читателей

Книги для юных читателей

• Car Science Ричард Хаммонд.Дорлинг Киндерсли, 2007. Объясняет, почему ваша машина работает (в возрасте 9–12 лет).

Статьи

• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 года. История новых электрических турбин Гарретта.
• Прыжки с турбонаддувом с гоночной трассы до Кюль-де-Сак, автор Стивен Уильямс. The New York Times, 25 октября 2018 года. Как турбокомпрессоры стали неотъемлемой частью современного автомобильного двигателя.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора. Автор Алекс Дэвис.Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как сделать турбодвигатели более эффективными? «Просто добавь воды» Ник Чап. The New York Times, 29 сентября 2016 г. Компания Bosch возрождает идею распыления воды на цилиндры с турбонаддувом, чтобы они работали более прохладно и менее беспорядочно.
• Автопроизводители считают, что турбины — мощный путь к экономии топлива Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, так активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбонагнетатель был революционной технологией Джима Косса. The New York Times, 19 декабря 2014 года. Как первые турбокомпрессоры в конце концов преодолели свои первые проблемы.
• Чак Скватриглиа, «Если ты не водишь турбо», то скоро будешь. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 году количество автомобилей с установленными турбокомпрессорами увеличится вдвое, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности от двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует экологические достижения Йорна Мадслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «экологичнее» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробные технические описания того, как все работает, патенты — хорошее место для начала. Здесь Вот некоторые недавние патенты на турбокомпрессоры, которые стоит проверить:

• Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бючи, выдан 17 апреля 1934 г. Первый турбомотор, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
Патент США №
• №2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод, выданный Ричардом Дж. Ллойдом, Корпорация Гарретт, выдан 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных оборотах двигателя.
• Патент США № 4083188: Система турбонагнетателя двигателя, выданная Emerson Kumm, The Garrett Corporation, 11 апреля 1978 года. Современный турбонагнетатель для дизельного двигателя с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдан 24 мая 2011 г.Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком BorgWarner Inc. Corporation

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 18 февраля 2021 г.

Не бывает идеального изобретения: мы всегда можем сделать что-нибудь лучше, дешевле, более эффективный или более экологически чистый. Возьмите внутренний двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может сбросить вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать иначе.Но это всегда можно построить двигатель, который будет работать быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —a пара вентиляторов, которые используют отработанную мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, обеспечивая больше «привлекательности», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте присмотритесь!

Фото: В типичном автомобильном турбокомпрессоре используется пара таких вентиляторов в форме улитки.Тот, который вы видите здесь, — это Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора любезно предоставлено ВМС США.

Что такое турбокомпрессор?

Фото: два вида безмасляного турбокомпрессора, разработанного НАСА. Фото любезно предоставлено Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).

Вы когда-нибудь видели, как мимо вас проносятся машины, из выхлопной трубы которых струится сажа? Очевидно, выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше очевидно, что они одновременно тратят энергию.Выхлоп смесь горячих газов, откачиваемых на скорости, и вся энергия в ней содержит — тепло и движение (кинетическая энергия) — исчезает бесполезно в атмосферу. Было бы здорово, если бы двигатель Могли ли как-то использовать эту бесполезную энергию, чтобы машина ехала быстрее? Именно это и делает турбокомпрессор.

Автомобильные двигатели получают энергию за счет сжигания топлива в прочных металлических канистрах, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр смешивается с топливом и горит, чтобы произвести небольшой взрыв который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля.Когда поршень возвращается внутрь, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в качестве выхлопа. Количество мощности Производительность автомобиля напрямую зависит от того, насколько быстро он сжигает топливо. В у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее можешь идти.

Один из способов ускорить движение автомобиля — это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндры в обычном семейном автомобиле.Другой вариант — использовать турбонагнетатель, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простой, относительно дешевый, дополнительный немного обвеса, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию турбонагнетателя автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух из спины.В виде горячий воздух уходит, он с ревом проносится мимо турбины (что-то вроде очень компактная металлическая ветряная мельница), которая приводит в движение компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это бит, который нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть должным образом. Турбокомпрессор на автомобиле применяет очень принцип аналогичен поршневому двигателю. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива каждый второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше мощности (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»).Нагнетатель (или «нагнетатель с механическим приводом», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отходов энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию от собственного источника энергии автомобиля (коленчатого вала), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор), установленные на одном валу.Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Как на практике работает турбонаддув? Турбокомпрессор — это два маленьких вентилятора (также называемых крыльчатками). или газовые насосы), сидящие на одном металлическом валу, так что оба вращаются все вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в выхлопная струя из цилиндров. Когда цилиндры выдувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, с которым они соединены (технически называемый узлом вращения центральной ступицы или CHRA) также вращается.Второй вентилятор называется , компрессор и, поскольку он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, так что, вращаясь, он втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Теперь здесь небольшая проблема. Если сжать газ, он станет горячее (вот почему велосипедный насос нагревается, когда вы начинаете накачивать шины). Горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и меньше эффективны для сжигания топлива, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, был охлажден перед входом цилиндры.Для его охлаждения мощность компрессора проходит через над теплообменником, который удаляет дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — подробнее

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен (и питает) компрессор (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух, а затем снова его выдувает.
4. Горячий сжатый воздух от компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он быстрее производит энергию и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выхлопное отверстие.
8. Горячие выхлопные газы, обдувающие турбинный вентилятор, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (показан здесь бледно-оранжевой линией). Итак, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, расходуя меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было соединить примерно так.Турбина (красная справа) забирает отработанный воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который забирает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленую) между турбиной и компрессором.

Иллюстрация: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдано 24 мая 2011 г.Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры придают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступать напрямую из отработанных выхлопных газов, что иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для приведения в действие компрессора, что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — вот где дополнительная мощность автомобиля происходит от. Все выхлопные газы приводят в действие турбокомпрессор и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он не напрямую, каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля.Это просто включение один и тот же двигатель для более быстрого сжигания топлива, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной мощности вы можете получить?

Если турбокомпрессор дает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это даже больше мощности. Теоретически вы можете продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры такие большие, и топлива они могут сжечь ровно столько, сколько нужно. Через впускное отверстие определенного размера вы можете втолкнуть в них столько воздуха, сколько выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для приведения в действие турбокомпрессора.Другими словами, в игру вступают и другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; нельзя просто турбонаддувом проложить себе путь до бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете четко видеть два вентилятора / нагнетателя (один над другим) и их вход / выход. Фото любезно предоставлено Армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и более или менее на любых вид транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность. для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом цилиндре генерирует большую мощность, чем в противном случае). Однако чем больше мощность, тем выше выход энергии в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что вы должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать, соответственно, больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбонагнетателем не более экономичен, чем двигатель без него.Однако на практике двигатель, оснащенный турбонагнетателем, намного меньше и легче, чем двигатель, производящий такую ​​же мощность без турбонагнетателя, поэтому автомобиль с турбонагнетателем может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Производители теперь часто могут обойтись без установки гораздо меньшего двигателя на тот же автомобиль (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: при хорошей работе они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива.Поскольку они сжигают топливо с большим количеством кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, вызывая меньшее загрязнение воздуха.

« Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, проданных в США, будут оснащаться одним двигателем. ”

The New York Times, 2018

Большая мощность при том же размере двигателя — это замечательно, так почему же не все двигатели имеют турбонаддув? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбокомпрессорами, не всегда оказывались столь впечатляющими, как утверждали производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом над своими конкурентами).Одно исследование 2013 года, проведенное Consumer Reports, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом дают значительно худшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические хвастовства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. Есть более эффективные способы экономить топливо, в том числе гибриды, дизели и другие передовые технологии ». Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще немало вещей, которые могут пойти не так.Это может значительно удорожать обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны испытывать более высокие давления и температуры, что может привести к более быстрому выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом служат не так долго. Даже вождение с турбонаддувом может отличаться: поскольку турбонагнетатель приводится в действие выхлопными газами, часто наблюдается значительная задержка («турбо-задержка») между тем, когда вы нажимаете ногу на акселератор, и моментом включения турбонаддува, и это может сделать турбонаддув. машины очень разные (а иногда и очень хитрые) в управлении.В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, активно разрабатывают частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Гарретта называется E-Turbo, а предложение Борга — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бючи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. Как и в случае с турбонагнетателем, который я проиллюстрировал выше, в его оригинальной конструкции использовался приводной от выхлопа вал турбины для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя.Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.

Бючи была не единственной важной фигурой в истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением ступеней сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это немного похоже на наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое может быть сожжено.Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Изображение: один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бючи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро понять его смысл. Вы можете увидеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопные газы из цилиндра проходят по трубе (зеленого цвета), приводящей в движение турбину.Он подключен к оранжевому «нагнетателю» (компрессору) и охладителю (синий ящик), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубу. Есть множество других сложных деталей, но я не буду вдаваться во все детали; Если вам интересно, взгляните на патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через Google Patents). Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На этом сайте

Книги для старших читателей

Книги для юных читателей

• Car Science Ричард Хаммонд.Дорлинг Киндерсли, 2007. Объясняет, почему ваша машина работает (в возрасте 9–12 лет).

Статьи

• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 года. История новых электрических турбин Гарретта.
• Прыжки с турбонаддувом с гоночной трассы до Кюль-де-Сак, автор Стивен Уильямс. The New York Times, 25 октября 2018 года. Как турбокомпрессоры стали неотъемлемой частью современного автомобильного двигателя.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора. Автор Алекс Дэвис.Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как сделать турбодвигатели более эффективными? «Просто добавь воды» Ник Чап. The New York Times, 29 сентября 2016 г. Компания Bosch возрождает идею распыления воды на цилиндры с турбонаддувом, чтобы они работали более прохладно и менее беспорядочно.
• Автопроизводители считают, что турбины — мощный путь к экономии топлива Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, так активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбонагнетатель был революционной технологией Джима Косса. The New York Times, 19 декабря 2014 года. Как первые турбокомпрессоры в конце концов преодолели свои первые проблемы.
• Чак Скватриглиа, «Если ты не водишь турбо», то скоро будешь. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 году количество автомобилей с установленными турбокомпрессорами увеличится вдвое, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности от двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует экологические достижения Йорна Мадслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «экологичнее» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробные технические описания того, как все работает, патенты — хорошее место для начала. Здесь Вот некоторые недавние патенты на турбокомпрессоры, которые стоит проверить:

• Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бючи, выдан 17 апреля 1934 г. Первый турбомотор, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
Патент США №
• №2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод, выданный Ричардом Дж. Ллойдом, Корпорация Гарретт, выдан 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных оборотах двигателя.
• Патент США № 4083188: Система турбонагнетателя двигателя, выданная Emerson Kumm, The Garrett Corporation, 11 апреля 1978 года. Современный турбонагнетатель для дизельного двигателя с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдан 24 мая 2011 г.Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком BorgWarner Inc. Corporation

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 18 февраля 2021 г.

Не бывает идеального изобретения: мы всегда можем сделать что-нибудь лучше, дешевле, более эффективный или более экологически чистый. Возьмите внутренний двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может сбросить вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать иначе.Но это всегда можно построить двигатель, который будет работать быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —a пара вентиляторов, которые используют отработанную мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух в переднюю часть, обеспечивая больше «привлекательности», чем в противном случае получать. Мы все слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте присмотритесь!

Фото: В типичном автомобильном турбокомпрессоре используется пара таких вентиляторов в форме улитки.Тот, который вы видите здесь, — это Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана С. Делкора любезно предоставлено ВМС США.

Что такое турбокомпрессор?

Фото: два вида безмасляного турбокомпрессора, разработанного НАСА. Фото любезно предоставлено Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).

Вы когда-нибудь видели, как мимо вас проносятся машины, из выхлопной трубы которых струится сажа? Очевидно, выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше очевидно, что они одновременно тратят энергию.Выхлоп смесь горячих газов, откачиваемых на скорости, и вся энергия в ней содержит — тепло и движение (кинетическая энергия) — исчезает бесполезно в атмосферу. Было бы здорово, если бы двигатель Могли ли как-то использовать эту бесполезную энергию, чтобы машина ехала быстрее? Именно это и делает турбокомпрессор.

Автомобильные двигатели получают энергию за счет сжигания топлива в прочных металлических канистрах, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр смешивается с топливом и горит, чтобы произвести небольшой взрыв который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля.Когда поршень возвращается внутрь, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в качестве выхлопа. Количество мощности Производительность автомобиля напрямую зависит от того, насколько быстро он сжигает топливо. В у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее можешь идти.

Один из способов ускорить движение автомобиля — это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндры в обычном семейном автомобиле.Другой вариант — использовать турбонагнетатель, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простой, относительно дешевый, дополнительный немного обвеса, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию турбонагнетателя автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух из спины.В виде горячий воздух уходит, он с ревом проносится мимо турбины (что-то вроде очень компактная металлическая ветряная мельница), которая приводит в движение компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это бит, который нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть должным образом. Турбокомпрессор на автомобиле применяет очень принцип аналогичен поршневому двигателю. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива каждый второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше мощности (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»).Нагнетатель (или «нагнетатель с механическим приводом», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбокомпрессор, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отходов энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию от собственного источника энергии автомобиля (коленчатого вала), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор), установленные на одном валу.Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Как на практике работает турбонаддув? Турбокомпрессор — это два маленьких вентилятора (также называемых крыльчатками). или газовые насосы), сидящие на одном металлическом валу, так что оба вращаются все вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в выхлопная струя из цилиндров. Когда цилиндры выдувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, с которым они соединены (технически называемый узлом вращения центральной ступицы или CHRA) также вращается.Второй вентилятор называется , компрессор и, поскольку он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, так что, вращаясь, он втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Теперь здесь небольшая проблема. Если сжать газ, он станет горячее (вот почему велосипедный насос нагревается, когда вы начинаете накачивать шины). Горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и меньше эффективны для сжигания топлива, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, был охлажден перед входом цилиндры.Для его охлаждения мощность компрессора проходит через над теплообменником, который удаляет дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — подробнее

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен (и питает) компрессор (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух, а затем снова его выдувает.
4. Горячий сжатый воздух от компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он быстрее производит энергию и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выхлопное отверстие.
8. Горячие выхлопные газы, обдувающие турбинный вентилятор, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (показан здесь бледно-оранжевой линией). Итак, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, расходуя меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было соединить примерно так.Турбина (красная справа) забирает отработанный воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который забирает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленую) между турбиной и компрессором.

Иллюстрация: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдано 24 мая 2011 г.Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры придают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступать напрямую из отработанных выхлопных газов, что иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для приведения в действие компрессора, что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — вот где дополнительная мощность автомобиля происходит от. Все выхлопные газы приводят в действие турбокомпрессор и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он не напрямую, каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля.Это просто включение один и тот же двигатель для более быстрого сжигания топлива, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной мощности вы можете получить?

Если турбокомпрессор дает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это даже больше мощности. Теоретически вы можете продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры такие большие, и топлива они могут сжечь ровно столько, сколько нужно. Через впускное отверстие определенного размера вы можете втолкнуть в них столько воздуха, сколько выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для приведения в действие турбокомпрессора.Другими словами, в игру вступают и другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; нельзя просто турбонаддувом проложить себе путь до бесконечности!

Преимущества и недостатки турбокомпрессоров

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете четко видеть два вентилятора / нагнетателя (один над другим) и их вход / выход. Фото любезно предоставлено Армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и более или менее на любых вид транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получаете большую выходную мощность. для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом цилиндре генерирует большую мощность, чем в противном случае). Однако чем больше мощность, тем выше выход энергии в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что вы должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать, соответственно, больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбонагнетателем не более экономичен, чем двигатель без него.Однако на практике двигатель, оснащенный турбонагнетателем, намного меньше и легче, чем двигатель, производящий такую ​​же мощность без турбонагнетателя, поэтому автомобиль с турбонагнетателем может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Производители теперь часто могут обойтись без установки гораздо меньшего двигателя на тот же автомобиль (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: при хорошей работе они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива.Поскольку они сжигают топливо с большим количеством кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, вызывая меньшее загрязнение воздуха.

« Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, проданных в США, будут оснащаться одним двигателем. ”

The New York Times, 2018

Большая мощность при том же размере двигателя — это замечательно, так почему же не все двигатели имеют турбонаддув? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбокомпрессорами, не всегда оказывались столь впечатляющими, как утверждали производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом над своими конкурентами).Одно исследование 2013 года, проведенное Consumer Reports, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом дают значительно худшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические хвастовства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. Есть более эффективные способы экономить топливо, в том числе гибриды, дизели и другие передовые технологии ». Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще немало вещей, которые могут пойти не так.Это может значительно удорожать обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны испытывать более высокие давления и температуры, что может привести к более быстрому выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом служат не так долго. Даже вождение с турбонаддувом может отличаться: поскольку турбонагнетатель приводится в действие выхлопными газами, часто наблюдается значительная задержка («турбо-задержка») между тем, когда вы нажимаете ногу на акселератор, и моментом включения турбонаддува, и это может сделать турбонаддув. машины очень разные (а иногда и очень хитрые) в управлении.В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, активно разрабатывают частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Гарретта называется E-Turbo, а предложение Борга — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кого благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бючи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. Как и в случае с турбонагнетателем, который я проиллюстрировал выше, в его оригинальной конструкции использовался приводной от выхлопа вал турбины для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя.Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.

Бючи была не единственной важной фигурой в истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением ступеней сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это немного похоже на наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое может быть сожжено.Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Изображение: один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бючи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро понять его смысл. Вы можете увидеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопные газы из цилиндра проходят по трубе (зеленого цвета), приводящей в движение турбину.Он подключен к оранжевому «нагнетателю» (компрессору) и охладителю (синий ящик), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубу. Есть множество других сложных деталей, но я не буду вдаваться во все детали; Если вам интересно, взгляните на патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через Google Patents). Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На этом сайте

Книги для старших читателей

Книги для юных читателей

• Car Science Ричард Хаммонд.Дорлинг Киндерсли, 2007. Объясняет, почему ваша машина работает (в возрасте 9–12 лет).

Статьи

• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 года. История новых электрических турбин Гарретта.
• Прыжки с турбонаддувом с гоночной трассы до Кюль-де-Сак, автор Стивен Уильямс. The New York Times, 25 октября 2018 года. Как турбокомпрессоры стали неотъемлемой частью современного автомобильного двигателя.
• Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора. Автор Алекс Дэвис.Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как сделать турбодвигатели более эффективными? «Просто добавь воды» Ник Чап. The New York Times, 29 сентября 2016 г. Компания Bosch возрождает идею распыления воды на цилиндры с турбонаддувом, чтобы они работали более прохладно и менее беспорядочно.
• Автопроизводители считают, что турбины — мощный путь к экономии топлива Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, так активно продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад турбонагнетатель был революционной технологией Джима Косса. The New York Times, 19 декабря 2014 года. Как первые турбокомпрессоры в конце концов преодолели свои первые проблемы.
• Чак Скватриглиа, «Если ты не водишь турбо», то скоро будешь. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 году количество автомобилей с установленными турбокомпрессорами увеличится вдвое, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности от двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует экологические достижения Йорна Мадслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «экологичнее» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробные технические описания того, как все работает, патенты — хорошее место для начала. Здесь Вот некоторые недавние патенты на турбокомпрессоры, которые стоит проверить:

• Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бючи, выдан 17 апреля 1934 г. Первый турбомотор, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
Патент США №
• №2,309,968: Управление турбокомпрессором и метод, выданный Ричардом Дж. Ллойдом, Корпорация Гарретт, выдан 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных оборотах двигателя.
• Патент США № 4083188: Система турбонагнетателя двигателя, выданная Emerson Kumm, The Garrett Corporation, 11 апреля 1978 года. Современный турбонагнетатель для дизельного двигателя с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдан 24 мая 2011 г.Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком BorgWarner Inc. Corporation

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

: обзор 4 типов и принципов работы

Как профессиональная сеть в области промышленного оборудования, мы приглашаем вас прочитать это руководство о типах газовых турбин Linquip, найти более полезную информацию о принципе работы газовых турбин, их применении и узнать о компрессорах и типах камер сгорания.

Любая газовая турбина работает с циклами впуска, сжатия, расширения и выпуска.В основе принципа работы газовой турбины заключается в том, что в каждом типе газовой турбины компрессор сначала сжимает воздух, а затем этот воздух проходит через двигатель внутреннего сгорания. Топливо непрерывно сжигается для переработки высокотемпературного газа и газа высокого давления. Газовая турбина расширяет газ, вырабатываемый камерой сгорания, в турбину и, таким образом, генерирует энергию вращения, которая используется компрессором на предыдущей ступени. Имеется выходной вал для оставшейся энергии.

Подробнее о цикле газовой турбины Linquip

Применение газовых турбин

Что касается применения газовых турбин, то эти турбины являются одной из самых популярных технологий для производства электроэнергии сегодня.Их выработка электроэнергии также может быть использована на химических заводах и нефтеперерабатывающих заводах. В последние годы они внесли значительный вклад в более чистое производство электроэнергии. Производство новых и передовых технологий позволит лучше использовать газовые турбины во многих секторах энергетики, от производства электроэнергии до транспорта и авиации, тем самым повышая эффективность всех этих отраслей.

Помимо производства электроэнергии на энергетических и химических заводах, эти турбомашины также составляют основу современной авиации и силовых установок самолетов.В самолетах используются разные типы газовых турбин, от небольших пассажирских, таких как прекрасный Hawker 400, ранее известный как MU-300, до великолепного A380. Они также используются в грузовых самолетах от малых до больших, таких как Airbus Beluga. Военные самолеты также приводятся в движение реактивными двигателями.

Если копнуть еще глубже, вы найдете записи в истории, где реактивные двигатели предлагались также для локомотивных, морских и автомобильных двигателей.

Типы газовых турбин

Здесь мы представляем четыре основных типа газотурбинных двигателей.Обращаем внимание, что такое разнообразие конструкции газовых турбин присутствует только в авиационных газовых турбинах. Конфигурация газовых турбин, используемых на электростанциях, очень похожа на турбореактивные двигатели, которые будут рассмотрены ниже.

Первым типом газовой турбины были турбореактивные двигатели. Хотя они выглядят совершенно иначе, чем поршневые двигатели, они работают по тому же принципу: впуск, сжатие, мощность и выпуск. В этом типе двигателя воздух движется с высокой скоростью к впускному отверстию для топлива и воспламенителю камеры сгорания.Турбина вызывает ускоренные выхлопные газы за счет расширения воздуха.

Второй тип газовой турбины — турбовинтовой. Это турбореактивный двигатель, который через зубчатую передачу соединен с воздушным винтом. Рабочий процесс такого типа газовой турбины следующий:

1. Турбореактивный двигатель вращает вал, связанный с коробкой передач
2. Коробка передач замедляет процесс вращения, а самая медленная шестерня прикреплена к механизму трансмиссии.
3. Воздушный винт вращается и создает тягу

Лучшие в мире турбореактивные и турбовинтовые двигатели работают в паре с турбовентиляторными двигателями.Турбореактивные двухконтурные двигатели могут быть подключены к передней части турбореактивного двигателя с помощью канального вентилятора. Затем вентилятор создает дополнительный толчок, помогает двигателю охладиться и снижает уровень шума двигателя.

Четвертый тип газовых турбин — это турбовальные двигатели, которые используются в основном на вертолетах. Самая большая разница в том, что турбовальные двигатели используют большую часть своей мощности для вращения турбин вместо того, чтобы выталкивать их из задней части автомобиля. Турбовальные двигатели представляют собой турбореактивные двигатели с большим валом, соединенным с задней частью.

Компоненты газотурбинного двигателя

Газотурбинный двигатель может создавать полезную тягу. Он может приводить в действие генератор, насос или пропеллер и создавать тягу через сопло в случае чисто реактивного двигателя. Хотя газотурбинный двигатель представляет собой простую систему, компоненты мощной машины должны быть тщательно сконструированы и изготовлены из дорогих материалов из-за их высоких рабочих температур и напряжений. Таким образом, установка газотурбинных двигателей обычно ограничивается крупными агрегатами, в которых они экономичны.

Кроме того, компоненты газовой турбины в основном: компрессор (всасывает и сжимает воздух), камера сгорания (топливо подается в воздух и воспламеняется), турбина (преобразует энергию высокоскоростного газа во вращательную. мощность за счет расширения), редуктор и вал (обеспечивает приводные устройства вращательной силой) и выхлопное сопло (выходит из турбинной части с низким уровнем выбросов отработанного газа).

Основные компоненты газотурбинного двигателя будут рассмотрены ниже.Обратите внимание, что редуктор газовой турбины довольно распространен во многих современных газовых турбинах, используемых в мире. Этот компонент отвечает за эффективную передачу выработанной мощности турбины к движущимся частям в зависимости от ее скорости вращения и выходной мощности. Однако есть и более новые конструкции, в которых используется конфигурация с прямым приводом, то есть внутри газотурбинного двигателя отсутствует коробка передач, а мощность вращения турбины напрямую передается туда, где она необходима.

Компрессор газовой турбины

Независимо от того, какой тип газовой турбины вы рассматриваете, все газовые турбины имеют компрессор, который увеличивает давление воздуха на входе перед входом в двигатель внутреннего сгорания.Мощность компрессора имеет решающее значение для общего КПД двигателя.

Компрессоры газовых турбин обеспечивают компонент сжатия термодинамического цикла газотурбинного двигателя. Как правило, доступны три конкретных типа газотурбинных компрессоров: осевой компрессор, центробежный компрессор и компрессор со смешанным потоком.

Осевой компрессор

В газовых турбинах средней и высокой прочности используются осевые компрессоры, поскольку в поле поперечного сечения альтернативные центробежные агрегаты слишком тяжелы и слишком велики.Осевые лопатки в задней части компрессора теряют свою мощность при меньших размерах, и их трудно изготовить точно. Затем производители заменяют задние ступени на центробежный агрегат. Осевые компрессоры в турбинах мощностью более 5 МВт используются для выработки электроэнергии.

Центробежный компрессор

Центробежные компрессоры используются в реактивных турбинных двигателях (один из газотурбинных), накопителях энергии и других применениях в тяжелой промышленности. Центробежный компрессор передает энергию от лопаток рабочего колеса газовой турбины.Некоторые факторы влияют на производительность компрессоров и турбин, включая динамику лопаток, гидродинамику и физические свойства газа.

Комбинированный компрессор

Компрессоры смешанного типа, также известные как диагональные компрессоры, относятся к группе компрессоров, сочетающих осевые и радиальные компоненты скорости потока, присутствующие в осевых и центробежных компрессорах. Эта комбинация приводит к ступени компрессора с диагональным воздушным потоком.

Эта конструкция унаследовала относительно больший средний радиус на выходе, чем на входе, от центробежной конструкции; однако воздушный поток на выходе имеет осевое направление, а не радиальное.Таким образом, эта логика проектирования использует основные преимущества центробежной и осевой конструкции. Как вы, возможно, уже поняли для центробежной конструкции, выходной диаметр должен быть относительно большим, что делает его конструктивной конфигурацией проблематичной для многих приложений. Однако конструкция со смешанным потоком не страдает от этой проблемы.

Камера сгорания

является важным компонентом газотурбинных двигателей, в которых молекулы топлива проходят экзотермическую химическую реакцию сгорания, или просто называемую горением, с выделением огромного количества тепла.

В результате химической реакции образуется смесь разных газов, которые не только очень горячие из-за характера процесса, через который они прошли, но и имеют очень высокое давление, так как их исходные газы выходят из компрессора. Это заставляет их умолять выбегать из камеры и расширяться в турбине.

Типы камер сгорания

могут быть радиальными или кольцевыми, тарно-кольцевыми или силосными. Кольцевая система сгорания представляет собой единую непрерывную камеру в форме пончика, которая окружает турбину в плоскости, связанной с воздушным потоком.Камеры сгорания с трубчатым кольцом аналогичны кольцевым камерам сгорания, но вместо одной камеры сгорания они имеют несколько камер сгорания в форме банок. Кольцевые камеры сгорания и камеры сгорания с кольцевым корпусом, как правило, в небольших приложениях, основаны на турбинной технике самолета. Одна или несколько камер сгорания силоса внешне соединены с корпусом газовой турбины. Одна или несколько камер сгорания силоса внешне соединены с корпусом газовой турбины. Обычно камеры сгорания силосов больше, чем кольцевые или кольцевые, и используются в более крупных операциях.

Турбина

Турбина — это место, где вырабатывается механическая энергия. Эта механическая энергия генерируется, когда горячие газы, выходящие из камеры, проходят через лопатки турбины, заставляя их двигаться вокруг своей оси вращения. Теперь другая конфигурация конструкции, эта мощность используется по-другому.

На электростанциях горячий газ расширяется в турбине, чтобы обеспечить мощность, необходимую для вращения лопаток компрессора, а также для выработки электроэнергии. Горячие газы не теряют все свое тепло даже после прохождения последней ступени турбины, поэтому их тепло можно использовать в дальнейшем, направляя их в котлы на тепловых электростанциях.

Та же логика присутствует и в турбореактивных двигателях. В турбореактивных двигателях газ расширяется ровно настолько, чтобы обеспечить мощность, необходимую для компрессора, а также некоторую электрическую мощность, необходимую для приборов. Самолет в этой конфигурации приводится в движение из-за расширения горячих газов в сопле, в результате чего из двигателя выходит струя газов, отсюда и название.

В турбовентиляторных двигателях и турбовальных двигателях горячие газы дополнительно расширяются в турбине для выработки большей механической мощности для обеспечения мощности, необходимой для вращения вентиляторов или лопастей вертолета, которые являются основными источниками движения для летательных аппаратов, использующих эти конфигурации двигателей.

Вал

Одинарный вал

В газовых турбинах может использоваться одновальная или двухвальная конфигурация. Одновальная конструкция состоит из вала, который соединяет вращающуюся часть воздушного компрессора, газотурбинного агрегата и силовой турбины. Эта конструкция лучше всего подходит для приложений с постоянной скоростью, таких как электрические генераторы с постоянной частотой.

Два вала

Двухвальная конфигурация включает воздушный компрессор, газопровод и силовую турбину на втором независимом валу.Эта конструкция обеспечивает гибкую скорость, необходимую для эффективного охвата более широкой карты системы с питанием. Таким образом, производитель газа может работать с необходимой скоростью для создания мощности, необходимой для приводимого в действие оборудования, включая центробежные компрессоры или насосы.

Степень упаковки

Конструкция большинства газовых турбин, используемых в промышленности, требует включения газовой турбины в простую раму со всеми необходимыми компонентами для основного рабочего блока.Сюда входят следующие системы:

• Пусковая система
• Топливная система
• Смазочная система
• Панель местного управления
• Коробка передач и ведомое оборудование (в отдельных случаях)

Как правило, требуются дополнительные операционные системы — это все предварительно спроектированные комплектные системы, которые производитель турбин может поставить и настроить. Такие системы, как:

• Фильтрация воздуха на входе
• Маслоохладители
• Системы дистанционного управления
• Корпуса с шумоподавлением
• Глушитель выхлопа

Основное внимание Linquip в этом руководстве было уделено типам газовых турбин, а также дальнейшему изучению различных типов компрессоров и камер сгорания.Если вы хотите оставить свой конструктивный отзыв по теме после ее прочтения, зарегистрируйтесь и поделитесь своим мнением.

Газовые турбины для выработки электроэнергии

Использование газовых турбин для выработки электроэнергии началось в 1939 году. Сегодня газовые турбины являются одной из наиболее широко используемых технологий производства электроэнергии. Газовые турбины — это тип двигателя внутреннего сгорания (IC), в котором при сжигании топливовоздушной смеси образуются горячие газы, которые вращают турбину для выработки энергии. Название газовым турбинам дает не само топливо, а образование горячего газа при сгорании топлива.Газовые турбины могут использовать различные виды топлива, включая природный газ, жидкое топливо и синтетическое топливо. В газовых турбинах горение происходит непрерывно, в отличие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, в которых сгорание происходит с перерывами.

Как работают газовые турбины?
Газовые турбины состоят из трех основных секций, установленных на одном валу: компрессора, камеры сгорания (или камеры сгорания) и турбины. Компрессор может быть осевым или центробежным.Компрессоры с осевым потоком более распространены в производстве электроэнергии, потому что они имеют более высокую производительность и эффективность. Компрессоры с осевым потоком состоят из нескольких ступеней вращающихся и неподвижных лопастей (или статоров), через которые воздух всасывается параллельно оси вращения и постепенно сжимается по мере прохождения через каждую ступень. Ускорение воздуха вращающимися лопастями и диффузия статорами увеличивают давление и уменьшают объем воздуха. Хотя тепло не добавляется, сжатие воздуха также вызывает повышение температуры.

Сжатый воздух смешивается с топливом, впрыскиваемым через форсунки. Топливо и сжатый воздух могут быть предварительно смешаны или сжатый воздух может быть введен непосредственно в камеру сгорания. Топливно-воздушная смесь воспламеняется в условиях постоянного давления, а горячие продукты сгорания (газы) направляются через турбину, где они быстро расширяются и сообщают вращение валу. Турбина также состоит из ступеней, каждая из которых имеет ряд неподвижных лопаток (или сопел) для направления расширяющихся газов, за которыми следует ряд движущихся лопаток.Вращение вала заставляет компрессор всасывать и сжимать больше воздуха для поддержания непрерывного горения. Оставшаяся мощность на валу используется для привода генератора, вырабатывающего электричество. Приблизительно от 55 до 65 процентов мощности, производимой турбиной, используется для привода компрессора. Для оптимизации передачи кинетической энергии от продуктов сгорания к вращению вала газовые турбины могут иметь несколько ступеней компрессора и турбины.

Газовая турбина Alstom GT24 / GT26 (Изображение предоставлено Alstom)

Поскольку компрессор должен достичь определенной скорости, прежде чем процесс сгорания станет непрерывным или самоподдерживающимся, начальный импульс передается ротору турбины от внешнего двигателя, статический преобразователь частоты, или сам генератор.Перед подачей топлива и возгоранием компрессор должен быть плавно ускорен и достигнет скорости зажигания. Скорости турбины сильно различаются в зависимости от производителя и конструкции: от 2000 оборотов в минуту (об / мин) до 10000 об / мин. Первоначальное зажигание происходит от одной или нескольких свечей зажигания (в зависимости от конструкции камеры сгорания). Когда турбина достигает самоподдерживающейся скорости — выше 50% от полной скорости — выходной мощности достаточно для приведения в действие компрессора, сгорание идет непрерывно, а систему стартера можно отключить.

Характеристики газовой турбины
Термодинамический процесс, используемый в газовых турбинах, — это цикл Брайтона. Двумя важными рабочими параметрами являются степень сжатия и температура обжига. Соотношение количества топлива к мощности двигателя оптимизируется за счет увеличения разницы (или соотношения) между давлением нагнетания компрессора и давлением воздуха на впуске. Эта степень сжатия зависит от конструкции.Газовые турбины для выработки электроэнергии могут быть как промышленного (тяжелого каркаса), так и авиационного исполнения. Промышленные газовые турбины предназначены для стационарного применения и имеют более низкие отношения давлений — обычно до 18: 1. Авиационные газовые турбины — это более легкие компактные двигатели, адаптированные к конструкции авиационных реактивных двигателей, которые работают при более высоких степенях сжатия — до 30: 1. Они предлагают более высокую топливную эффективность и меньшие выбросы, но меньше по размеру и имеют более высокие начальные (капитальные) затраты. Авиационные газовые турбины более чувствительны к температуре на входе в компрессор.

Температура, при которой работает турбина (температура горения), также влияет на КПД, при этом более высокие температуры приводят к более высокому КПД. Однако температура на входе в турбину ограничена тепловыми условиями, которые допускает металлический сплав лопаток турбины. Температура газа на входе в турбину может составлять от 1200 ° C до 1400 ° C, но некоторые производители повысили температуру на входе до 1600 ° C, разработав покрытия для лопаток и системы охлаждения для защиты металлургических компонентов от теплового повреждения.

Из-за мощности, необходимой для привода компрессора, КПД преобразования энергии для газотурбинной электростанции простого цикла обычно составляет около 30 процентов, при этом даже самые эффективные конструкции ограничиваются 40 процентами. Большое количество тепла остается в выхлопном газе, температура которого составляет около 600 ° C, когда он выходит из турбины. За счет рекуперации этого отходящего тепла для производства более полезной работы в конфигурации с комбинированным циклом КПД газотурбинной электростанции может достигать 55-60 процентов. Однако существуют эксплуатационные ограничения, связанные с работой газовых турбин в режиме комбинированного цикла, в том числе более длительное время запуска, требования к продувке для предотвращения пожаров или взрывов и скорость нарастания до полной нагрузки.