Pikap24.ru

Автомобильный журнал
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Газотурбинные двигатели температура газа

Турбиностроение

  1. Турбостроение: основные направления
  2. Турбиностроение в России
  3. Инновации в турбостроении и пути дальнейшего развития отрасли

Турбиностроение (турбостроение) – это отрасль машиностроения, специалисты которой занимаются разработкой и строительством энергетических турбин, преобразующих ресурс входящего рабочего тела в механическую работу генератора энергии.

Турбореактивные двигатели

Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.


Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

  • Входное устройство
  • Компрессор
  • Камеру сгорания
  • Турбину
  • Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя.

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.


Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу


Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.

Читать еще:  Эксплуатация двигателя на повышенных оборотах


Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Типы газотурбинных двигателей

Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине. [источник не указан 404 дня] Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными. [источник не указан 404 дня]

Высокая эффективность и доступность

Kawasaki работает над тем, чтобы улучшить ежедневную работу оборудования и, таким образом, повысить доходность клиентов и защитить глобальную окружающую среду.

История разработок газовых турбин Kawasaki

История разработки когенерационных ГТУ Kawasaki
1989 год: турбина M1A-13, мощностью 1,5 МВт.
1994 год: турбина M7A-01 класса 6 МВт.
1998 год: турбина M7A-02, класса 7 МВт, версия M7A-01 с более производительным компрессором.
2001 год: турбина L20A класса 18 МВт, увеличенная M7A-02.
2007 год: Газовая турбина M7A-03, применены новейшие методы CFD-анализа, улучшена эффективность элементов.
2010 год: Газовая турбина M1A-17 мощностью 1,7 МВт, модернизированная версия M1A-13.
2012 год: Газовая турбина L30A класса 30 МВт, увеличенная L20A.

Какое значение считается оптимальным?

Чтобы произошло переключение вида топлива, необходимо создание определенных условий. Главным фактором считается прогрев двигателя (а точнее охлождающей жидкости) до нужной температуры. Когда датчик температуры, расположенный на редукторе, зафиксирует необходимое температурное значение произойдет переключение на голубое топливо. В целях экономии, некоторые автомобилисты стараются уменьшить время переключения, чтобы двигатель быстрее перешел на газ.

В результате занижения температуры снизится и расход дорого топлива (бензина). Разумеется, раннее переключение на газ негативно сказывается на мембране редуктора. Но если все настроить правильно, и учитывать время года и температуру «за бортом», то можно немного снизить расход бензина без особых последствий.

Наилучшая температура перехода на газ

Почему профессиональные мастера всегда придерживаются определенных правил, не нарушают технологические требования? Чтобы в этом разобраться, необходимо понять несколько важных факторов.

Жидкий газ поступает в газовый редуктор, в котором происходит его преобразование, он превращается в пар. Такой переход из одного состояния в другое сопровождается серьезным понижением температуры. Она падает до – 40°С. Чтобы редуктор не замерз, а преобразование газа происходило в соответствии с технологическим процессом, редуктор необходимо предварительно прогреть.

В зимнее время, температура прогрева тосола или антифриза должна составлять примерно 40 градусов. В весенний, а также летне-осенний период, достаточно 30 градусов.

Если уменьшить температуру переключения, редуктор хорошо не прогреется. Переход жидкого газа в парообразное состояние будет происходить недостаточно эффективно. Температура выходящего газа будет слишком низкой, его плотность не будет соответствовать установленной норме.

В результате таких действий до прогрева, двигатель начнет работать нестабильно:

  • частые перебои;
  • падение мощности;
  • повышенный расход газа,
  • пропуски зажигания;
  • автомобиль двигается рывками.

Прогрев двигателя не требует обязательного движения автомобиля. Достаточно завести мотор и дать ему поработать несколько минут на холостых оборотах. Температура достигнет нужных значений, редуктор никогда не выйдет из строя.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Принцип работы газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

Читать еще:  Что происходит когда двигатель заводиться

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

  • забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
  • сжатие – 2 (компрессор)
  • смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
  • выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
  • Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

  • турбореактивные
  • турбовинтовые
  • турбовентиляторные
  • турбовальные

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим при знакам:

  • по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
  • по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
  • по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
  • по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
  • по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Читать еще:  Блендер двигатель принцип работы

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

Газотурбинный двигатель. Видео.

Возможные неисправности и проверка

Любое, даже самое совершенное оборудование может выйти из строя. Такие его элементы, как датчики, относятся к долговечным приборам и ломаются очень редко.

Причины выхода из строя датчика газа

Сигнал от газового электронного блока управления, управляющий форсунками, корректируется тремя факторами: давлением в форсуночной рейке, температурой газа, тосола в узле охлаждения, от которой зависит работа редуктора. Когда происходит поломка на одном из этих узлов, слаженная работа ГБО нарушается со всеми вытекающими последствиями.

Вероятные причины, почему температурный датчик не работает, могут быть следующими:

  1. Напряжение на приборе есть, но он посылает сигнал на ЭБУ, значит между этими двумя устройствами нет контакта. Причина выявляется с помощью диагностики соединяющих кабелей.
  2. На устройстве нет напряжения. Значит, либо электропитание к нему не поступает, либо он вышел из строя. Недоступность питания проверяется с помощью «прозвона» не только самого температурного датчика, но и датчика давления, электронных кабелей.
  3. Если прибор перегорел или имеются другие причины того, что он не выдаёт температурные значения, настроить его невозможно. Выполняют диагностику всех элементов системы ГБО, которые так или иначе с ним связаны.

Чтобы восстановить работоспособность, устраняют причину неисправности. При неполадках в электрической магистрали устраняют обрывы. Когда вышел из строя сам прибор, его меняют.

Частые ошибки, которые отправляет на электронный узел управления температурный датчик, очень редко связаны с его поломкой. Чаще причина заключается в неправильной настройке. Необходимо задействовать соединительный провод, компьютер и соответствующее программное обеспечение, чтобы выполнить диагностику и настройку. Надо учитывать модификацию ГБО и технические особенности модели автомобиля, где оно установлено. Без специальных знаний сделать это невозможно.

Как определить неисправность датчика температуры редуктора?

Определить, когда датчик температуры газового редуктора вышел из строя, можно по следующим признакам, которые сложно не заметить:

  1. Двигатель внутреннего сгорания не переходит на газовую смесь.
  2. Испаритель не прогрелся до оптимального показателя температуры, а двигатель уже перешёл на газовую смесь.

Как проверить датчик температуры на редукторе ГБО? Нужно выкрутить его из редуктора и измерить сопротивление. При комнатной температуре оно должно выжать 1,6 кОм, при нагреве будет начинает падать. Если при нагреве датчика примерно до 60℃ сопротивление падает до 0,5 кОм и вновь резко идёт до бесконечности, значит, присутствует обрыв цепи. Такое положение дел нельзя оставлять без внимания. Двигатель не будет переключаться на газ. Это ведёт к поломкам МАР-сенсора, инжекторов, редуктора, и даже мотора.

Если прибегнуть к хитрости, и запрограммировать ЭБУ на функцию «теплый старт», машина заведётся сразу на газе. При такой раскладке быстрее изнашиваются инжекторы и редуктор, а на холоде в зимнее время двигатель машины не заведётся вообще.

В настоящее время в продаже имеются несколько моделей газовых контроллеров которые не требуют подключения датчика температуры редуктора. Этим системам, чтобы они перешли со штатного топлива на газовую смесь, нужны такие параметры, как давление и температура газа, количество оборотов ДВС. Данная модификация газобаллонного оборудования имеет свои достоинства и недостатки.

Мастера не видят особых отличий в функционировании ЭБУ ГБО с возможностью подключения температурного датчика или без него. В целом на производительность ГБО это не влияет.

Современное газобаллонное оборудование относится к новым технологиям в области питания горючим транспортных средств. Производители постоянно работают над совершенствованием своих систем. Принцип работы ГБО 4 -й генерации остаётся прежним, но вот его конструктивные элементы могут по-разному настраиваться и монтироваться. В этих тонкостях разберется только мастер. Поэтому монтаж и настройку всех узлов необходимо доверять профессионалам, у которых есть не только инструменты и оборудование, но и необходимый уровень знаний.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector