Поделки из турбины
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 04.10.2024
Все материалы добавляются пользователями. При копировании необходимо указывать ссылку на источник.
Немного теории
Принцип действия довольно прост: отработанные газы поступают в турбинную часть (горячую улитку) и раскручивают рабочее колесо. Колёса турбинной и компрессорной частей находятся на одной оси и жёстко соединены валом, который вращается обычно на гидродинамических подшипниках. Таким образом поток выхлопных газов раскручивает оба колеса, благодаря чему холодная часть забирает большое количество воздуха, сжимает его и через интеркулер направляет к двигателю.
Далее по накатанной: образование топливовоздушной смеси и увеличение мощности на определённых оборотах. Не все турбины способны раскрутиться со старта, что логично, ведь чем больше поток выхлопных газов, тем быстрее раскручивается турбинное колесо. Отсутствие подрыва на низких оборотах называют турболагом, а для того, чтобы турбина крутилась во всём диапазоне работы двигателя, применяется система битурбо или механизм изменяемой геометрии потока выхлопных газов.
Тюнинг турбины
— К примеру, всем известный Stage 1 — это программное увеличение мощности (чип-тюнинг). При таком варианте турбокомпрессор будет работать в определённом заводском диапазоне, можно лишь немного сместить рамки и увеличить давление до 0,2—0,4 бара, на это запас есть. Если всё-таки затрагивать турбину следом за чипом — гибрид позволит добавить вместо 0,2—0,4 уже 0,6—0,8 бара сверху от номинала.
— Без определённых доработок после тюнинга можно столкнуться с нюансами. В первую очередь это возрастание EGT (Exhaust Gas Temperature — температура выхлопных газов), детонация и всё отсюда вытекающее. Мы даём больше воздуха, значит, нам нужно больше топлива. Бедная смесь равно детонация. Это определённая работа с топливной системой.
— Если говорить о гибриде, то проблема с температурой особенно актуальна, ведь горячая часть не увеличилась. Показатель A/R, который можно увидеть на корпусе турбокомпрессора, — это соотношение сечения от центра колеса до выхода из турбины. Чем выше A/R, тем больший объём воздуха мы можем через турбину прокачать. В двух улитках этот показатель существует — как в горячей, так и в холодной. Важно помнить, что после любой физической доработки необходима настройка машины, это маст-хэв.
Все ли турбины поддаются тюнингу?
— Лучше всего поддаются тюнингу бензиновые турбокомпрессоры, хуже — дизельные. Всё потому, что дизельная турбина спокойно пройдёт Stage 1—2, а третий просто отметается из-за наличия механизма изменяемой геометрии потока выхлопных газов. Он конструктивно ограничивает проходное сечение и место для расточки, — рассказывает мастер.
Про моторы
— У нас был интересный опыт тюнинга BMW для Литвы. В стандартные улитки установили колёса от 30/71 GTX — и машина поехала! Правда, как тепловоз. Со старта дистанцию в четверть мили преодолевала легко, но дальше разгоняться просто не могла. Пытались метанолом тушить EGT, пробовали охлаждать всеми возможными способами, но из-за нехватки проходного сечения вестгейта, когда авто выходит на полный спул, температура быстро возрастает и ЭБУ ограничивает мощность, чтобы не угробить мотор, — вспоминает специалист. — А вот старым проверенным японским двигателям (JZ или 4G63) всё нипочем! Есть примеры людей, которые занимаются этим испокон веков. Mad Max выжимает по 700—800 сил из двухлитрового мотора. Конечно, всегда существует вопрос: как долго это будет работать? Но ведь цели у всех разные. Наша задача как специалистов — сохранить клиенту ресурс двигателя. Иногда мы сталкиваемся с безумными идеями, и клиент всегда прав, хотя иногда стоит его отговорить, предложив альтернативу.
Сколько тюнинг даст сил в момент разработки?
— Выходная мощность после тюнинга зависит от очень большого количества факторов. К примеру, турбина Garrett. У любого турбокомпрессора есть турбокарта, благодаря которой получается теоретически рассчитать результат на каких-то номинальных показателях. Есть даже калькуляторы в интернете! Но точные цифры предугадать невозможно. Всё выясняется опытным путём, — уверен мастер. — Допустим, из двух турбокомпрессоров BMW можно выжать 745 сил, поставив туда 30/71 GTX. И на динамометрическом стенде после свода метанолом на определённом количестве оборотов двигателя действительно будет 745 сил. Это только эмпирическим путём выяснится, ведь теории попросту нет для данного варианта, пока кто-то его не сделает и не опишет это. Ну кто додумается запихнуть 30/71 в малюсенькие штатные улитки?
— Если взять сухие цифры, при увеличении рабочего колеса 1 миллиметр даёт 200 миллибар, сугубо при номинале. Что дальше с этим давлением сделает двигатель, сколько запустить туда топлива — это больше к настройщикам, которые высчитают показатели, опираясь на ход поршня, его диаметр, площадь, степень сжатия… Там формула есть такая интересная, абсолютно простая!
Битурбо, или Секреты маркетинга
— Тритурбо, квадтурбо — это уже история о маркетинге. Существует прекрасный механизм изменения геометрии (VGT), который внедрён практически во все дизельные турбокомпрессоры. Он позволяет получить максимальный наддув на всём диапазоне оборотов без ступенчатости типа битурбо и далее. С бензиновыми турбокомпрессорами действительно заморочились только Porsche, потому что там работают сумасшедшие инженеры (в хорошем смысле этого слова), которые умудряются даже повесить противовес на турбокомпрессор для развесовки.
— Битурбо, так называемый ступенчатый наддув, используется только для того, чтобы не внедрять VGT. Получается, проще поставить одну маленькую турбину, которая будет работать на низких оборотах, а потом одну большую, включаемую уже на высоких. Турбина, как и любой компрессор, имеет ограниченный диапазон оборотов. Например, возьмём один турбокомпрессор на любом бензиновом двигателе с доработками, чтобы добиться оптимального функционирования ДВС. Максимальный наддув можем получить где-то в районе трёх-четырёх тысяч оборотов и до конца. Да, турбина начнёт раздуваться примерно с 2 500 об/мин, но это ещё не эффективная работа. При приближении к трём-четырём тысячам произойдёт выход на оптимальное действие, а после пяти-шести турбокомпрессор начнёт сдуваться, просто нагревать воздух и терять наддув.
— Чтобы этого избежать, можно внедрить битурбо. Тогда картинка немного изменится: до 3 000 оборотов работает маленькая турбинка, затем необходимо её обрезать, чтобы она крутилась вхолостую и запустилась большая. Три турбины, четыре турбины — принцип один и тот же: просто увеличение ступенчатостью.
— Где конструктивно можно вместить четыре турбины — хороший вопрос. Это большеобъёмные двигатели, V-образные. Для V8 ставить одну турбину нет смысла, плюс это сложно технически реализовать: придётся сводить два коллектора, например. Так что решение о количестве обусловлено и технически, правда, это сказывается также на значительном росте цены обслуживания автомобиля, только об этом никто не думает, когда слышит о четырёх турбинах. С другой стороны, те, кто может позволить себе авто с такими двигателями, вероятно, может их обслужить.
— Помню времена, когда, подойдя к BMW сзади, можно было понять, какой двигатель спрятан под капотом. Сегодня шильдик 535 говорит отнюдь не об этом. По сути, 3-литровый дизель один и тот же, просто вместо одной турбины ставят две. На последнем моторе (B-серия) турбокомпрессор срастили с коллектором, этот двигатель, кстати, поставили в Supra. Все агрегаты постепенно эволюционируют, мощность наращивается, а проблема одна — охлаждение. Для её решения появляются алюминиевые коллекторы с водяным охлаждением, что раньше казалось чем-то фантастическим, — рассказывает наш эксперт.
Для кого? Для чего?
Загадочные шарики
Деньги
— Стартует тюнинг турбины от $500, а далее — до бесконечности. Всё зависит от конструктивных особенностей элемента. Допустим, приезжает уже знакомый нам агрегат PTE 5858, мы знаем, что можно реализовать, а что нет, длительных усилий не потребуется. А когда принесли ещё неизвестную в плане тюнинга турбину? Затрачиваются материалы и много часов труда, чтобы исполнить желание клиента. Всё, что уже делалось, — быстрее и дешевле.
— У нас случился проект с V12, когда мы были молоды и зелены. У двигателя V12 AMG Mercedes W211 изначально очень своеобразная конструкция турбокомпрессоров. Задача — поставить туда 30/76 GTX. Честно, казалось, что это просто сумасшествие. Мы потратили около 200 человеко-часов в процессе воплощения идеи в реальность. И это только время! Не считаем уже количество материалов, топливных затрат.
Или проект DAZA 2.5 TFSi Audi TT RS, где уже было ясно, что делать, в каком направлении двигаться. Он занял у нас 80 часов. Заметное сокращение? По этой причине нельзя даже приблизительно сказать, во сколько вам обойдётся тюнинг. Всё обсуждается индивидуально, прикидывается, намечается, только потом можно назвать какую-то цифру. Поэтому начинаем от $500, а дальше зависит от фантазии и пожеланий заказчика.
В данном обзоре автор делится полезной идеей, которая пригодится в домашней мастерской и гараже. А именно — как изготовить самодельную турбину для циклона, используя недорогие и подручные материалы.
Электродвигатель автор использует от старого пылесоса, мощностью 1600 W. Моторчик компактный, но при этом достаточно производительный.
Для изготовления корпуса турбины автор использует кусок пластиковой канализационной трубы длиной 43,5 см.
На ЧПУ автор вырезал два кольца с большим и маленьким отверстиями, которые устанавливаются внутри пластиковой трубы — в верхней и нижней части, и фиксируются саморезами.
Основные этапы работ
Еще один важный элемент самодельной турбины — это автомобильный фильтр (для грузового авто).
По краям фильтра автор прикрутил два круга из фанеры. В одном из них необходимо будет сделать отверстие по центру. Сам фильтр вставляется внутрь пластиковой трубы.
Отверстие в круге автор специально сделал такого диаметра, чтобы можно было состыковать с электродвигателем.
После установки всех элементов внутрь корпуса, на трубу надевается уголок на 90 градусов. Потом вся конструкция стыкуется уже с самим циклоном.
Подробно о том, как изготовить своими руками турбину для циклона, смотрите на видео.
Учёные до сих пор бьются над поиском самых эффективных способов по выработке тока — прогресс устремился от гальванических элементов к первым динамо-машинам, паровым, атомным, а теперь солнечным, ветряным и водородным электростанциям. В наше время самым массовым и удобным способом получения электричества остаётся генератор, приводимый в действие паровой турбиной.
Паровые турбины были изобретены задолго до того, как человек понял природу электричества. В этом посте мы упрощённо расскажем об устройстве и работе паровой турбины, а заодно вспомним, как древнегреческий учёный опередил своё время на пятнадцать веков, как произошёл переворот в деле турбиностроения и почему Toshiba считает, что тридцатиметровую турбину надо изготавливать с точностью до 0,005 мм.
Как устроена паровая турбина
Принцип работы паровой турбины относительно прост, а её внутреннее устройство принципиально не менялось уже больше века. Чтобы понять принцип работы турбины, рассмотрим, как работает теплоэлектростанция — место, где ископаемое топливо (газ, уголь, мазут) превращается в электричество.
Сама по себе паровая турбина не работает, для функционирования ей нужен пар. Поэтому электростанция начинается с котла, в котором горит топливо, отдавая жар трубам с дистиллированной водой, пронизывающим котел. В этих тонких трубах вода превращается в пар.
Понятная схема работы ТЭЦ, вырабатывающей и электричество, и тепло для отопления домов. Источник: Мосэнерго
Турбина представляет собой вал (ротор) с радиально расположенными лопатками, словно у большого вентилятора. За каждым таким диском установлен статор — похожий диск с лопатками другой формы, который закреплён не на валу, а на корпусе самой турбины и потому остающийся неподвижным (отсюда и название — статор).
Пару из одного вращающегося диска с лопатками и статора называют ступенью. В одной паровой турбине десятки ступеней — пропустив пар всего через одну ступень тяжёлый вал турбины с массой от 3 до 150 тонн не раскрутить, поэтому ступени последовательно группируются, чтобы извлечь максимум потенциальной энергии пара.
На вход в турбину подаётся пар с очень высокой температурой и под большим давлением. По давлению пара различают турбины низкого (до 1,2 МПа), среднего (до 5 МПа), высокого (до 15 МПа), сверхвысокого (15—22,5 МПа) и сверхкритического (свыше 22,5 МПа) давления. Для сравнения, давление внутри бутылки шампанского составляет порядка 0,63 МПа, в автомобильной шине легковушки — 0,2 МПа.
Чем выше давление, тем выше температура кипения воды, а значит, температура пара. На вход турбины подается пар, перегретый до 550-560 °C! Зачем так много? По мере прохождения сквозь турбину пар расширяется, чтобы сохранять скорость потока, и теряет температуру, поэтому нужно иметь запас. Почему бы не перегреть пар выше? До недавних пор это считалось чрезвычайно сложным и бессмысленным —нагрузка на турбину и котел становилась критической.
Паровые турбины для электростанций традиционно имеют несколько цилиндров с лопатками, в которые подается пар высокого, среднего и низкого давления. Сперва пар проходит через цилиндр высокого давления, раскручивает турбину, а заодно меняет свои параметры на выходе (снижается давление и температура), после чего уходит в цилиндр среднего давления, а оттуда — низкого. Дело в том, что ступени для пара с разными параметрами имеют разные размеры и форму лопаток, чтобы эффективней извлекать энергию пара.
Но есть проблема — при падении температуры до точки насыщения пар начинает насыщаться, а это уменьшает КПД турбины. Для предотвращения этого на электростанциях после цилиндра высокого и перед попаданием в цилиндр низкого давления пар вновь подогревают в котле. Этот процесс называется промежуточным перегревом (промперегрев).
Цилиндров среднего и низкого давления в одной турбине может быть несколько. Пар на них может подаваться как с края цилиндра, проходя все лопатки последовательно, так и по центру, расходясь к краям, что выравнивает нагрузку на вал.
Вращающийся вал турбины соединён с электрогенератором. Чтобы электричество в сети имело необходимую частоту, валы генератора и турбины должны вращаться со строго определённой скоростью — в России ток в сети имеет частоту 50 Гц, а турбины работают на 1500 или 3000 об/мин.
Упрощённо говоря, чем выше потребление электроэнергии, производимой электростанцией, тем сильнее генератор сопротивляется вращению, поэтому на турбину приходится подавать бо́льший поток пара. Регуляторы частоты вращения турбин мгновенно реагируют на изменения нагрузки и управляют потоком пара, чтобы турбина сохраняла постоянные обороты. Если в сети произойдет падение нагрузки, а регулятор не уменьшит объём подаваемого пара, турбина стремительно нарастит обороты и разрушится — в случае такой аварии лопатки легко пробивают корпус турбины, крышу ТЭС и разлетаются на расстояние в несколько километров.
Как появились паровые турбины
Примерно в XVIII веке до нашей эры человечество уже укротило энергию стихии, превратив её в механическую энергию для совершения полезной работы — то были вавилонские ветряные мельницы. К II веку до н. э. в Римской империи появились водяные мельницы, чьи колёса приводились в движение нескончаемым потоком воды рек и ручьёв. И уже в I веке н. э. человек укротил потенциальную энергию водяного пара, с его помощью приведя в движение рукотворную систему.
Эолипил Герона Александрийского — первая и единственная на следующие 15 веков реактивная паровая турбина. Источник: American Mechanical Dictionary / Wikimedia
Греческий математик и механик Герон Александрийский описал причудливый механизм эолипил, представляющий собой закреплённый на оси шар с исходящими из него под углом трубками. Подававшийся в шар из кипящего котла водяной пар с силой выходил из трубок, заставляя шар вращаться. Придуманная Героном машина в те времена казалась бесполезной игрушкой, но на самом деле античный учёный сконструировал первую паровую реактивную турбину, оценить потенциал которой удалось только через пятнадцать веков. Современная реплика эолипила развивает скорость до 1500 оборотов в минуту.
В XVI веке забытое изобретение Герона частично повторил сирийский астроном Такиюддин аш-Шами, только вместо шара в движение приводилось колесо, на которое пар дул прямо из котла. В 1629 году схожую идею предложил итальянский архитектор Джованни Бранка: струя пара вращала лопастное колесо, которое можно было приспособить для механизации лесопилки.
Турбинная революция
Параллельно с Лавалем свои исследования в области паровых турбин вёл англичанин cэр Чарлз Парсонс, который смог переосмыслить и удачно дополнить идеи Лаваля. Если первый использовал в своей турбине один диск с лопатками, то Парсонс запатентовал многоступенчатую турбину с несколькими последовательно расположенными дисками, а чуть позже добавил в конструкцию статоры для выравнивания потока.
Турбина Парсонса имела три последовательных цилиндра для пара высокого, среднего и низкого давления с разной геометрией лопаток. Если Лаваль опирался на активные турбины, то Парсонс создал реактивные группы.
Турбины Toshiba — путь длиной в век
Стремительное развитие электрифицированных железных дорог и текстильной промышленности в Японии заставило государство ответить на возросшее электропотребление строительством новых электростанций. Вместе с тем начались работы по проектированию и производству японских паровых турбин, первые из которых были поставлены на нужды страны уже в 1920-х годах. К делу подключилась и Toshiba (в те годы: Tokyo Denki и Shibaura Seisaku-sho).
Первая турбина Toshiba была выпущена в 1927 году, она имела скромную мощность в 23 кВт. Уже через два года все производимые в Японии паровые турбины выходили из фабрик Toshiba, были запущены агрегаты с общей мощностью 7500 кВт. Кстати, и для первой японской геотермальной станции, открытой в 1966 году, паровые турбины также поставляла Toshiba. К 1997 году все турбины Toshiba имели суммарную мощность 100000 МВт, а к 2017 поставки настолько возросли, что эквивалентная мощность составила 200000 МВт.
Такой спрос обусловлен точностью изготовления. Ротор с массой до 150 тонн вращается со скоростью 3600 оборотов в минуту, любой дисбаланс приведёт к вибрациям и аварии. Ротор балансируется с точностью до 1 грамма, а геометрические отклонения не должны превышать 0,01 мм от целевых значений. Оборудование с ЧПУ помогает снизить отклонения при производстве турбины до 0,005 мм — именно такая разница с целевыми параметрами среди сотрудников Toshiba считается хорошим тоном, хотя допустимая безопасная погрешность на порядок больше. Также каждая турбина обязательно проходит стресс-тест при повышенных оборотах — для агрегатов на 3600 оборотов тест предусматривает разгон до 4320 оборотов.
Удачное фото для понимания размеров ступеней низкого давления паровой турбины. Перед вами коллектив лучших мастеров завода Toshiba Keihin Product Operations. Источник: Toshiba
Эффективность паровых турбин
Паровые турбины хороши тем, что при увеличении их размеров значительно растёт вырабатываемая мощность и КПД. Экономически гораздо выгодней установить один или несколько агрегатов на крупную ТЭС, от которой по магистральным сетям распределять электричество на большие расстояния, чем строить местные ТЭС с малыми турбинами, мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт. Дело в том, что при уменьшении габаритов и мощности в разы растёт стоимость турбины в пересчёте на киловатт, а КПД падает вдвое-втрое.
Электрический КПД конденсационных турбин с промперегревом колеблется на уровне 35-40%. КПД современных ТЭС может достигать 45%.
Интересные факты
Самая мощная паровая турбина: такой титул могут по праву носить сразу два изделия — немецкая Siemens SST5-9000 и турбина производства ARABELLE, принадлежащей американской General Electric. Обе конденсационных турбины выдают до 1900 МВт мощности. Реализовать такой потенциал можно только на АЭС.
Рекордная турбина Siemens SST5-9000 с мощностью 1900 МВт. Рекорд, но спрос на такие мощности очень мал, поэтому Toshiba специализируется на агрегатах с вдвое меньшей мощностью. Источник: Siemens
Самая маленькая паровая турбина была создана в России всего пару лет назад инженерами Уральского федерального университета — ПТМ-30 всего полметра в диаметре, она имеет мощность 30 кВт. Малютку можно использовать для локальной выработки электроэнергии при помощи утилизации избыточного пара, остающегося от других процессов, чтобы извлекать из него экономическую выгоду, а не спускать в атмосферу.
Российская ПТМ-30 — самая маленькая в мире паровая турбина для выработки электричества. Источник: УрФУ
Самым неудачным применением паровой турбины стоит считать паротурбовозы — паровозы, в которых пар из котла поступает в турбину, а затем локомотив движется на электродвигателях или за счет механической передачи. Теоретически паровая турбина обеспечивала в разы больший КПД, чем обычный паровоз. На деле оказалось, что свои преимущества, как то высокая скорость и надежность, паротурбовоз проявляет только на скоростях выше 60 км/ч. При меньшей скорости движения турбина потребляет чересчур много пара и топлива. США и европейские страны экспериментировали с паровыми турбинами на локомотивах, но ужасная надежность и сомнительная эффективность сократили жизнь паротурбовозов как класса до 10-20 лет.
Угольный паротурбовоз C&O 500 ломался почти каждую поездку, из-за чего уже спустя год после выпуска был отправлен на металлолом. Источник: Wikimedia
Читайте также: