Как сделать охлаждение турбины
Обновлено: 07.07.2024
Один из очень часто задаваемых в интернет-форумах вопрос: надо ли охлаждать «турбину» (на самом деле ТУРБОКОМПРЕССОР) работой на холостом ходу после интенсивного движения?
Для ответа на этот вопрос необходимо пояснить устройство и условия работы турбокомпрессора. Турбокомпрессор представляет собой два колеса с лопатками, жестко сидящие на общей оси. Каждое колесо заключено в корпус, именуемый улиткой. Турбинное колесо приводится во вращение выхлопными газами. С выхлопными газами в атмосферу бесполезно выбрасывается 55-65 процентов энергии образовавшейся при сгорании топлива. Часть энергии выхлопных газов можно с пользой использовать, направив их на турбинное колесо. Далее с этой энергией можно поступить по-разному - например, с помощью специальной передачи присовокупить ее к энергии коленчатого вала или использовать ее для привода полезных агрегатов. Второй вариант осуществлен в турбокомпрессоре. В нем энергия выхлопных газов используется для привода компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры.
Зная тепловой баланс и тепловой КПД двигателя внутреннего сгорания легко оценить - двигатель мощностью 100 кВт и КПД 40% выбрасывает в атмосферу выхлопные газы их которых, в идеальном случае, можно извлечь до 90 кВт (остальная энергия рассеивается по другим направлениям). Идеала в природе не существует, у каждого извлекающего энергию агрегата
есть свой КПД. Выхлопные газы перед турбинным колесом дизельного двигателя имеют температуру 800-900 градусов Цельсия (у бензиновых еще выше) и обладают очень высокой скоростью. При существующих КПД турбина, расположенная в выпускном тракте 100 киловаттного дизеля, развивает мощность 15-35 кВт. Эта мощность без остатка используется для привода центробежного компрессора, подающего воздух в цилиндры двигателя. Несмотря на малые габариты, центробежный компрессор обладает огромной производительностью и потребляет очень большую мощность.
Двухлитровый дизель только на холостом ходу пропускает через себя 800 литров воздуха в минуту, а на полной мощности 4 кубометра!! И эти цифры выражают объемы при атмосферном давлении!! На самом деле, компрессор создает избыточное давление 0,3-1,0 атм. Это значит, что приведенные цифры количества нагнетаемого воздуха на самом деле в 1.5-2 раза больше.
Во время работы двигателя с полной нагрузкой турбинное колесо вращается с частотой до 150 тысяч оборотов в минуту (иногда и больше) и нагревается до 800-900 градусов. Энергия выхлопных газов срабатывается на турбинном колесе, и после колеса температура газов резко снижается (до 400-500 градусов и ниже). На холостом ходу температура выхлопных газов дизельного двигателя едва ли достигает 100 градусов, скорость их также невелика, поэтому турбинное колесо получает очень мало энергии. Этой энергии недостаточно для работы компрессора , ее хватает только лишь для того, чтобы вращать компрессор настолько, чтобы он не оказывал большого сопротивления впуску воздуха в цилиндры.
Турбинное колесо изготавливается из жаропрочной стали, а компрессорное колесо (для снижения момента инерции) из алюминиевого сплава. Масса ротора ТКР в двигателях с рабочим объемом 1,5-2 литра составляет около 300 граммов. Вал вращается в специальных плавающих подшипниках скольжения или иногда в высокоточных шариковых подшипниках. Подшипники смазываются специально подводимым из системы смазки мотора маслом. Как и в любом узле трения, масло выполняет двойную функцию – разделяет трущиеся поверхности и отводит тепло из зоны трения.
А с теплом в подшипниковых узлах турбокомпрессора дело обстоит особо напряженно. Мало того, что при вращении вала с частотой полторы сотни тысяч оборотов в минуту в узлах трения выделяется масса теплоты, так еще и сам вал нагревается от выхлопных газов до очень высокой температуры. Пока двигатель работает, поток масла успешно отводит теплоту от вала ротора и температура подшипников не повышается до опасных значений. В случае остановки двигателя сразу же после большой нагрузки ротор довольно быстро останавливается (обычно на несколько секунд позже, чем сам двигатель), одновременно ослабевает и прекращается подвод масла к подшипникам и вал (а вместе с ним и подшипники) начинают интенсивно разогреваться от раскаленного турбинного колеса. Температура поднимается настолько, что масло, оставшееся в зазорах подшипников начинает коксоваться. При следующем запуске двигателя лак и нагар, образовавшийся при коксовании масла, перемалывается подшипниками и смывается смазочным маслом, однако каждый пуск в таком случае является весьма «травматичным» для подшипниковых узлов ТКР.
Рациональным и очень необременительным способом снизить «травматичность» запусков двигателя является охлаждение двигателя перед остановкой работой на холостом ходу. Как сказано выше, температура выхлопных газов дизельного двигателя на холостом ходу составляет примерно 100 градусов Цельсия. Количество выхлопных газов довольно велико. У двухлитрового дизеля на ХХ выбрасывается не менее 1,2 кубометра выхлопных газов в минуту. Если после интенсивной езды дать двигателю поработать на холостом ходу 1-3 минуты, то турбинное колесо (а с ним и вал) очень интенсивно охладится и температура подшипниковых узлов не достигнет температуры коксования масла. В таком случае следующий запуск двигателя уже не будет сопровождаться повышенным износом от образовавшегося в зазорах кокса, что в свою очередь благотворно отразится на ресурсе турбокомпрессора.
Бытующее мнение о том, что подшипники и вал турбокомпрессора изнашиваются оттого, что ротор очень долго вращается в подшипниках после остановки двигателя без подвода смазки глубоко ошибочно. Как сказано выше, на роторе расположено компрессорное колесо. Оно нагнетает воздух в цилиндры. При неподвижном двигателе компрессор нагнетает воздух в тупик , иными словами, перемалывает воздух внутри себя. Это оказывает очень сильное тормозящее воздействие на ротор. Кроме того, турбинное колесо, не получающее энергии от выхлопных газов, оказывается в положении схожем с компрессорным колесом – тоже перемалывает воздух. Таким образом, тормозящий момент, приложенный к ротору после остановки двигателя, усиливается. Масса ротора невелика, поэтому остановка ротора происходит весьма быстро.
ну прям, как по Шекспиру. добавляю. выражаю огромную благодарность alex diesel-ю за его усердие, что человек не ленится набирать толковые ответы и не "ГОНИТ" лишнего.
По поводу "глушить или не глушить" это зависит только от вас, дорогие соконфетяне, а точнее "от полноты Вашего кошелька и наличия свободного времени, для посещения сервиса или ковыряния у себя в гараже". Инструкция-мануал пишут не дураки. Я не призываю придерживаться ее безприкословно, это как воинский устав - из всего надо выделять "полезные зерна" и выбирать правильное направление движения к заданной цели".
У нас же цель одна - как можно больше продлить срок службы своего "железного коня".
ИМХО: Буду краток. Почему не стоит глушить сразу - чтобы сбалансировать температурный режим и давление масла, ОЖ, выхлопных газов. Это позволит избежать таких вещей как: выброс ОЖ, выдавливание масла из-под прокладок и сальников, залегание колец и образование кокса в зазорах.
собственно, оттуда всё и пошло >Инструкция-мануал пишут не дураки.
+++ а кто же? Мало того, похоже инструкцию пишут для дураков. Причём так, чтобы не вызвать приступ какой-нибудь психической болезни.
Я не призываю придерживаться ее безприкословно, это как воинский устав - из всего надо выделять "полезные зерна" и выбирать правильное направление движения к заданной цели".
+++ Вы читали инструкцию к свежим авто?
Почитаешь - волосы дыбом! Не греть, голушить сразу, про красную зону тахометра ни слова(тахометр есть :)) ). Короче, приезжайте на ТО и там всё посчитают :))
, голушить сразу,
** Перевираете. Для чего? В некоторых мануалах говорится о выжидании, пока двигатель не выйдет на режим х.х. Согласитесь, не одно и то же.
про красную зону тахометра ни слова(тахометр есть :)) ).
** А чего про него говорить. Может я Вам глаза открою о том, что на свежих авто даже красной зоны то не всегда есть. Есть электронный ограничитель. Так что выше всё равно не получится. Есть так же приписка, что не рекомендуется долго ехать на таких-то оборотах.
Короче, приезжайте на ТО и там всё посчитают :))
** можете не ехать, а всё своими руками.:)
Да и ритм жизни сейчас не такой, чтобы 10 минуть сидеть и дополнительно отравлять атмосферу.
+++ ну да.
И цена на топливо тоже не сладкая.
+++ не почувствуете.
Ну и ещё важный момент, упущенный Вами толи по незнанию, то ли по злому умыслу. Всё же конструкция, а точнее система смазки, современных (если пугает это слово, то свежих) двигателей, устроена лучшим образом, да плюс ко всему и сами масла уже практически сразу после пуска лучше защищают.
+++ реклама? Тут больше определяется типом масла. Супер-пупер масла на ТО обычно не льют :((
>
> , голушить сразу,
> ** Перевираете. Для чего? В некоторых мануалах говорится о выжидании, пока двигатель не выйдет на режим х.х. Согласитесь, не одно и то же.
+++ издеваться будем? Сколько времени у Вас двигатель выходит на х.х.? Секунду, две?
>
> про красную зону тахометра ни слова(тахометр есть :)) ).
> ** А чего про него говорить. Может я Вам глаза открою о том, что на свежих авто даже красной зоны то не всегда есть.
+++ это они унифицировали его с бензинкой :)))
Есть электронный ограничитель.
+++ не спасает, он как правило, срабатывает далеко в красной зоне.
Так что выше всё равно не получится. Есть так же приписка, что не рекомендуется долго ехать на таких-то оборотах.
+++ часто и этого нет.
>
> Короче, приезжайте на ТО и там всё посчитают :))
> ** можете не ехать, а всё своими руками.:)
+++ они позаботились, чтобы своими руками у Вас получилось только сломать что-то. Опять же - новый поход:))
> > Есть электронный ограничитель.
> > +++ не спасает, он как правило, срабатывает далеко в красной зоне.
> ** ** Ну у меня он срабатывает до недопустимых оборотов. И на бензинке ФФ тоже так было. Самой красной зоны нет, есть максимальные обороты в характеристике к авто. Вот выше этих оборотов никак не получается. И это лучше, чем когда есть красная зона, а некоторые за неё выходят.:)
+++ они выходят всегда и на всех моторах. Огласите циферку оборотов отсечки на вашем движке.
> >
> > Так что выше всё равно не получится. Есть так же приписка, что не рекомендуется долго ехать на таких-то оборотах.
> > +++ часто и этого нет.
> ** ** Мало кто читает мануалы. Да и долго на максимальных оборотах всё равно не поездиешь, не получится.
+++ на наших дорогах - да, на автобане - без проблем.
> > > >
> > > > Так что выше всё равно не получится. Есть так же приписка, что не рекомендуется долго ехать на таких-то оборотах.
> > > > +++ часто и этого нет.
> > > ** ** Мало кто читает мануалы. Да и долго на максимальных оборотах всё равно не поездиешь, не получится.
> > +++ на наших дорогах - да, на автобане - без проблем.
> ** // ** Вы хоть раз ездили с постоянной нагрузкой на автобане, на оборотах близко или на максимальных? Зачем выдумываете. У меня на шестой передаче даже при 180 км/ч ещё далеко до максимума. На пятой передачи 180км/ч не пробовал держать. А как у Вас это получается, поделитесь?
+++ максимальная скорость достигается на 5-ой передаче. На максимальной скорости нагрузка больше некуда, собственно потому она и максимальная. Никак не можете убить движок?
> > ** // ** Вы хоть раз ездили с постоянной нагрузкой на автобане, на оборотах близко или на максимальных? Зачем выдумываете. У меня на шестой передаче даже при 180 км/ч ещё далеко до максимума. На пятой передачи 180км/ч не пробовал держать. А как у Вас это получается, поделитесь?
> +++ максимальная скорость достигается на 5-ой передаче. На максимальной скорости нагрузка больше некуда, собственно потому она и максимальная. Никак не можете убить движок?
********* Что не означает, что обороты будут максимальными, да и на максимальной скорости долго не проедешь.
Все очень правильно замечено Вами.
ИМХО С некоторых пор автопроизводители изменили свою тактику. Раньше они боролись за качество и рынок сбыта и за имя, но это стало не выгодно - люди покупали машины и ездили на них очень долго с минимальными поломками. Заводы стали страдать - тачки производят а их покупаю мало. НЕВЫГОДНО. В инструкциях писали более подробно, с рекомендациями - сервисы начали страдать без работы.
Поэтому тактика поменялась:
1. ВЫ - увидели, пришли, купили, сели, поехали, "Если что - обращайтесь в сервис - ВАС ОБСЛУЖАТ"
2. Книжку напишем с прицелом на "экологов", чтоб все говорили "О это отличный автомобиль, и производитель заботится об окружающей среде (зер гуд)".
3. Далее - "О! сколько лет авто? пять лет?" ну тогда в утиль, и покупайте следующую модель - она намного лучше" . и по новой- пункт №1
резюме Наша потребительская тактика в корне различается с современной тактикой производителя. А с экологией у нас успешно борятся КамАЗы, нам при всём желании их не перекоптить.
Порой, это не получается сделать быстро и борьба с верой юзеров в прогрессивные технологии выращивает двухстраничные ветки в конфе.
** Если это обо мне, то даже не буду реагировать.:) Просто и ёмко - не покупайте новых авто, они не несут ничего нового.;-)
Самое забавное - не понятно, излечили или нет?
** Здесь больница?:)
> Через пару-тройку месяцев ждём нового приступа. :)))
ну вот, понеслась по новой > > Наша потребительская тактика в корне различается с современной тактикой производителя.
> ** Просто производитель перестроился под большинство, а Вы ещё никак.
+++ тут две стороны медали, у них концепция 5 лет и на помойку. Не говорите, что это Вас не касается. Это скажется на стоимости б.у. авто. Как Вы отнесётесь к тому, что Ваша машина будет через 3 года 10% от превоначальной стоимости?
> А с экологией у нас успешно борятся КамАЗы, нам при всём желании их не перекоптить.
> ** А Вы считаете, что раз вклад вашего авто в ухудшение экологии меньше камазовского, то можно спокойно дымить? И даже наверно прибавить до камазовского, так как слишком мало дымит?:)
+++ Делаю всё, что могу: заправляю Евор4, слежу за авто, НО грею по возможности минут 5, стоит турботаймер на 3 минуты. При исчезновении КамАЗв с дорог обязуюсь перестать греть и сниму турботаймер :)))
>
> Порой, это не получается сделать быстро и борьба с верой юзеров в прогрессивные технологии выращивает двухстраничные ветки в конфе.
> ** Если это обо мне, то даже не буду реагировать.:)
+++ если бы, Вы вообще - ангел, обычно, когда аргументы кончаются народ начинает ругаться.
Просто и ёмко - не покупайте новых авто, они не несут ничего нового.;-)
+++ Купил, чую не то, что надо. Даже на двери наклейка "береги турбину, друг". Отодрать что ли?
>
> Самое забавное - не понятно, излечили или нет?
> ** Здесь больница?:)
+++ определённо ДА! :)) Главврач - alex_diesel. Средняя температура по больнице неуклонно понижается.
>
> Не говорите, что это Вас не касается. Это скажется на стоимости б.у. авто. Как Вы отнесётесь к тому, что Ваша машина будет через 3 года 10% от превоначальной стоимости?
> ** ** Через 3 года 10% от стоимости нового, это разве что разбитую.:) :(
+++ ну-ну. Сколько она по-вашему будет стоить, если производитель позаботился о нерентабельности авто старше 5 лет от роду? Она как раз и приравняется к разбитой так как не сейчас так завтра потребует вложений близких к своей стоимости.
> >
=> > > ** А Вы считаете, что раз вклад вашего авто в ухудшение экологии меньше камазовского, то можно спокойно дымить? И даже наверно прибавить до камазовского, так как слишком мало дымит?:)
> > +++ Делаю всё, что могу: заправляю Евор4, слежу за авто, НО грею по возможности минут 5, стоит турботаймер на 3 минуты. При исчезновении КамАЗв с дорог обязуюсь перестать греть и сниму турботаймер :)))
> ** ** А я практически не грею сейчас. При отрицательных температурах 1-2 минуты, пока отряхаю снег и т.п. Глушу по мануалу в городе и 1-2 минуты на трассе(не по мануалу).:)
+++ хитрец! Всех обманул!
Вы вроде в Москве. Я не в Москве, но недавно ездил в Питер. 90% фур иномарки. Так что снимайте турботаймер.;-)
+++ вчера 350км отмотал по подмосковью - всласть наглотался сажи. Не сниму! :))
Осмелюсь добавить. К вышесказанному позволю себе добавить, что охладить турбину можно ещё быстрее, газанув пару раз без нагрузки. Это сильно отличается с расхожим мнением. Одако наблюдения за испытаниями двигателей в НАМИ на стендах, показало что это лучший способ охладить выпускной коллектор. Температура выхлопных газов без нагрузки мала, а расход - при газовке соответствующий.
Снимите входной патрубок на компрессоре турбины, и Вас удивит, что при глушении двигателя турбина встает колом за доли секунды!
Константин.
++++ главное - Прогазовкой добиваются увеличение циркуляции ОЖ и ее охлаждение, при условии если вентилятор механический.
Прогазовка еще полезна, если у Вас насос механический.
Температура выхлопных газов без нагрузки мала, а расход - при газовке соответствующий.
> Снимите входной патрубок на компрессоре турбины, и Вас удивит, что при глушении двигателя турбина встает колом за доли секунды!
> Константин.
> Снимите входной патрубок на компрессоре турбины, и Вас удивит, что при глушении двигателя турбина встает колом за доли секунды!
> Константин.
X. Агюл, Н. Шахин – Friterm A.S.
Для стран с теплым климатом, а также южных регионов России повышение эффективности газотурбинных энергоустановок путем охлаждения подаваемого на вход воздуха очень актуально. Компания Friterm имеет большой опыт в разработке подобных воздухоохладителей, с учетом особенностей их производства и функционирования. При соблюдении всех правил эксплуатации обеспечивается быстрая окупаемость оборудования за счет повышения КПД и мощности энергоблоков, а также сокращения эксплуатационных расходов.
Охлаждение воздуха на входе в газотурбинные установки широко применяется для повышения КПД и мощности таких энергоблоков. Однако большое количество ранее созданных ГТУ не оснащались системами охлаждения воздуха на входе, что снижало затраты на их установку и монтаж. Кроме того, вырабатываемой в то время мощности энергоустановки было достаточно. Используя преимущества систем охлаждения воздуха в условиях роста электропотребления, мощность энергоблока такого типа можно повысить на 10…26%, исключая собственные затраты мощности в системе, особенно в летний период.
Для установок, созданных в более поздний период, можно применять комплексы из систем испарительного охлаждения, систем непосредственного охлаждения с охлаждающей жидкостью или холодильных комплексов с охлаждающей батареей (испарителем) и собственным хладагентом.
Учитывая требования современного энергетического рынка, компания Friterm с 2001г. производит охлаждающие теплообменные радиаторы как часть комплексной поставки, включая воздушные фильтры и блоки удаления капельной жидкости. Охлаждающие радиаторы – это высокоэффективные теплообменники, разработанные с использованием программного обеспечения Friterm Coils 5.5 FRT1. Они прошли полномасштабные испытания в независимых лабораториях и имеют международные сертификаты Eurovent.
Применение систем охлаждения воздуха в виде готовых блоков обеспечивает производителям энергоустановок ряд преимуществ не только с точки зрения экономии средств, но и соответствия параметров поставляемого оборудования условиям конкретной площадки. Чтобы избежать возможных ошибок при использовании систем охлаждения воздуха на существующих электростанциях, нужно в деталях понимать конструктивные и эксплуатационные особенности оборудования.
Увеличение мощности ГТУ путем охлаждения подводимого воздуха
Практически все ГТУ имеют постоянный объемный расход воздуха. Таким образом, с повышением плотности воздуха, поступающего в систему, увеличивается его масса, при этом повышается мощность установки. Значительные потери мощности ГТУ отмечаются в летний период. Но даже с учетом затрат энергии на охлаждение поступающего воздуха, используя данную систему, можно ощутимо увеличить электрическую мощность установки со снижением ее тепловой мощности.
Несмотря на то что вырабатываемая ГТУ мощность увеличивается практически линейно с понижением температуры воздуха, необходимо, чтобы она была не ниже 5…6°С во избежание риска образования льда в воздушном тракте системы. Снижение температуры подаваемого в турбину воздуха с 38°С до 17°С предотвращает потенциальное снижение мощности ГТУ на 27% при такой высокой температуре. Если воздух будет охлажден до 6°С, то вырабатываемая мощность увеличится до 110%. Соответственно, снижение температуры всасываемого воздуха с 38°С до 6°С обеспечит возрастание мощности ГТУ с 73% до 110% от номинала.
Номинальная мощность турбин обычно приводится для температуры воздуха 15°С, относительной влажности 60% и высоты над уровнем моря в соответствии с ISO. Данные по мощности для других условий эксплуатации можно получить у производителей оборудования. Для общих расчетов должны учитываться следующие факторы:
1. Каждое повышение температуры воздуха на 10°С приводит к падению мощности на 8%;
2. Увеличение высоты площадки ГТУ над уровнем моря на 300м приводит к падению мощности на 3,5%;
3. Каждая дополнительная потеря давления на 1кПа в фильтрах, шумоглушителях и выхлопных газоходах вызывает снижение мощности на 2%;
4. Дополнительные потери давления в котле-утилизаторе, шумоглушителе и газоходах на выходе приводят к снижению мощности на 1,2%.
При этом изменение КПД турбины на разных частотах вращения может рассматриваться как результат изменения температуры воздуха.
Преимущества и недостатки использования системы охлаждения
Повышение мощности. Охлаждение воздуха на входе в газовую турбину ниже 15°С позволяет собственникам электростанции получить дополнительную прибыль за счет выработки дополнительного количества энергии.
Повышение эффективности использования топлива. Это одно из наиболее важных преимуществ использования системы охлаждения на входе ГТУ. При повышении температуры с 15°С до 38°С увеличивается удельный расход тепла, что в свою очередь приводит к снижению КПД на 4%. Этот негативный фактор может быть устранен путем охлаждения воздуха, подаваемого в газовую турбину. Для стандартных ГТУ снижение температуры воздуха до 6°С уменьшает удельный расход тепла и повышает КПД на 2%.
Продление срока службы компонентов газовых турбин. Двигатели, работающие при низких температурах воздуха на входе, имеют более продолжительный срок службы и требуют технического обслуживания в меньшем объеме. Более низкие и стабильные температуры воздуха обеспечивают меньший износ компонентов турбин.
Увеличение КПД в комбинированном цикле. Низкие температуры подаваемого воздуха обеспечивают более низкие температуры выхлопных газов. Это, естественно, снижает мощность котла-утилизатора. Однако при большем расходе воздуха на входе увеличивается массовый расход выхлопных газов, что в достаточной мере компенсирует потерю мощности в связи со снижением температуры.
Отсрочка в необходимости расширения электростанции. Повысив мощность электростанции за счет использования системы охлаждения воздуха на входе, расширение станции путем увеличения количества энергоблоков можно перенести на более поздний срок.
Повышение КПД системы при работе в базовом режиме. Общий КПД системы можно повысить путем сохранения энергии холода в накопителях вода/лед с использованием электрического чиллера в периоды низкого энергопотребления. Наиболее эффективна работа электрических чиллеров в ночное время в связи с более низкими температурами в конденсаторе. При необходимости максимальной выработки электрической и тепловой энергии должны быть задействованы традиционные системы вместо систем накопления энергии.
Отсутствие необходимости распыления воды или пара. Распыление воды или пара используется для повышения массового расхода рабочего тела и снижения эмиссии NOx. Однако в ряде случаев распыление пара приводит к снижению мощности турбины и повышению уровня эмиссии СО. Более низкие температуры подаваемого воздуха сокращают уровень эмиссии NOx за счет снижения температуры воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Таким образом, устраняется необходимость распыления воды или пара для снижения эмиссии NOx. При использовании системы охлаждения воздуха на входе не требуется применения других технологий для повышения мощности ГТУ, которые приводят к повышению уровней эмиссии СО.
Прогнозирование выработки энергии. Ряд систем охлаждения обеспечивают эксплуатацию двигателя при температурах воздуха на входе ниже 6°С независимо от условий окружающей среды. Использование таких систем позволяет более точно прогнозировать количество вырабатываемой энергии, поскольку отсутствует наиболее часто изменяющийся фактор – температура окружающего воздуха.
Другие преимущества использования систем охлаждения воздуха на входе ГТУ:
• испаритель обеспечивает фильтрацию подаваемого воздуха;
• охлаждающий теплообменник конденсирует значительное количество воды для пополнения градирен или испарительных конденсаторов;
• система имеет простую конструкцию и может использоваться отдельно;
• температура воздуха на входе может быть изменена для достижения требуемой мощности ГТУ. При этом полное открытие входных направляющих аппаратов происходит без существенной потери давления.
К недостаткам применения системы охлаждения можно отнести такие факторы:
1. Для установки системы необходимо дополнительное пространство. Кроме того, она требует дополнительного обслуживания;
2. Охлаждающие змеевики и испарители устанавливаются на пути воздушного потока, что приводит к постоянным потерям давления.
При принятии решения по установке систем охлаждения воздуха на входе в ГТУ необходимо учитывать:
• тип газовой турбины – промышленная или авиапроизводная;
• климатические условия в регионе;
• соотношение расхода воздуха и мощности ГТУ;
• степень повышения мощности, которая может быть достигнута путем снижения температуры воздуха на входе в газовую турбину;
• технологии, используемые для охлаждения воздуха на входе;
• потери давления, в связи с установкой змеевиков и испарителей;
• используемая система контроля и управления;
• доступность и стоимость топлива;
• затраты на техническое обслуживание;
• тип системы сохранения энергии, график загрузки/разгрузки;
• цена электроэнергии на рынке и себестоимость выработанной электроэнергии.
Технологии охлаждения воздуха на входе ГТУ
Кроме охлаждения воздуха на входе, впрыск воды или пара может использоваться в условиях с низкой влажностью окружающего воздуха. Существуют три основных способа охлаждения: испарительное; прямое охлаждение хладагентом; охлаждение вторичным хладоносителем (холодная вода – лед/соленая вода).
Для предварительного выбора системы охлаждения воздуха на входе необходимо учитывать продолжительность работы (график) турбины. Если ГТУ используется в качестве резервного источника энергии для снятия пиковых нагрузок, наиболее предпочтительны системы с испарительным охлаждением и системы накопления энергии. В этом случае отсутствуют избыточные потери нагрузки, за исключением потерь на работу циркуляционных насосов в период эксплуатации энергоустановки.
В тех случаях, когда ГТУ работает в основном в базовом режиме, использование таких систем охлаждения нежелательно. Решение об их применении должно приниматься только после тщательного анализа всех условий эксплуатации.
Испарительное охлаждение. В таких системах охлаждение достигается изменением состояния воды, которая подается в поток воздуха на входе в турбину. При этом необходимо смягчение воды в зависимости от ее качества в конкретном регионе. При использовании влажного охладителя воздух охлаждается на 85…95% по разности температур сухого наружного и подаваемого в турбину влажного воздуха.
Основным недостатком данной системы является то, что уровень охлаждения ограничен температурой влажного воздуха, подаваемого в ГТУ, т.е. зависит от условий окружающей среды. Максимальная эффективность достигается в сухую и жаркую погоду, но при высокой относительной влажности она резко падает. Кроме того, при таком способе охлаждения потребляется значительное количество воды. Несмотря на это, система широко используется в связи со сравнительно низкой стоимостью.
Охлаждение непосредственным испарением хладагента (DX cooling). Хладагент циркулирует непосредственно в теплообменнике системы охлаждения воздуха. В этом случае может использоваться абсорбционный или парокомпрессионный цикл. Система должна обеспечивать покрытие пиковых потребностей при резком возрастании нагрузки в сети. При этом существует риск утечек хладагента, поскольку он циркулирует в теплообменнике, который находится на пути потока воздуха. В связи с этим такие системы не пользуются популярностью у заказчиков.
Охлаждение вторичным хладоносителем (холодная вода – лед/соленая вода). Такое охлаждение сочетается с системами сохранения энергии или с охлаждающими теплообменниками, хладагент в которые подается напрямую из чиллера.
В этом случае система может охлаждать подаваемый воздух до более низкой температуры, чем при испарительном охлаждении, и поддерживает ее на уровне 6°С.
В отличие от прямого охлаждения хладагентом, данные системы расходуют энергию насосов. В связи с тем, что трубная обвязка систем прямого охлаждения хладагентом невелика (что обусловлено стандартными размерами чиллера), а холодная вода циркулирует в каналах под низким давлением более свободно по сравнению с первичным хладагентом, система практически защищена от утечек. Кроме того, она отличается простотой установки, обслуживания и эксплуатации. Такие системы наиболее предпочтительно использовать в ГТУ, работающих в базовом режиме в течение длительного времени.
В случае если данные системы применяются совместно с блоками хранения холодной воды или льда, они используются в периоды пиковых нагрузок. Для резервных ГТУ, работающих несколько часов в неделю, использование модулей сохранения энергии холода более предпочтительно. Более того, оно эффективно в случаях, когда потребление энергии постоянно изменяется или наблюдается частое колебание цен на вырабатываемую электроэнергию. Например, в выходные и праздничные дни энергии используется меньше, и ее стоимость падает – в рабочие дни, когда ее потребление возрастает, стоимость электроэнергии увеличивается.
Используя сохраненную энергию холода в периоды пиковых нагрузок и высокой стоимости, можно вырабатывать дополнительное количество электроэнергии и продавать ее на рынке.
Задумка неплохая! Ведь можно избежать многих минусов механических систем, особенно турбин которые работают от отработанных газов, такие как:
2) Охлаждение турбины
3) Смазка моторным маслом
5) НУ и конечно же ресурс
Если подвести черту, можно понять что механические системы, далеки от идеала. Конечнокомпрессоры которые работают от приводов, будут надежнее. Однако и у них есть минусы, это тот же привод который использует для работы обычный ремень, который со временем изнашивается.
В общем, подумали разработчики и поняли, что механику можно заменить на электрику! Или нельзя?
Принцип строения
Нужно отметить, что сейчас некоторые немецкие производители имеют в строении своих моторов такие нагнетатели.
И ставятся они как вы поняли, в системе забора воздуха. Первыми применили такие нагнетатели компании Mercedes, BMW и AUDI.
Электро турбину стоит настраивать и на определенные обороты, например на холостых она должна работать медленнее, а на высоких оборотах соответственно быстрее. Получается чуть ли не идеальная система! Но в чем же подвох, где минусы? И знаете, они есть.
Минусы электрического варианта
Однако ребята тут не все так просто. В нормальном (на холостых) режиме, атмосферный двигатель 1,6 литра потребляет примерно 300 – 400 литров воздуха за час работы. А на больших оборотах скажем в 4000 – 5000 умножаем эту цифру на 4 – 5, то есть 1200 – 1600 литров. Просто представите этот объем! Если вычислить минутное потребление 300/60 = 5 литров в минуту, или 20 при больших оборотах.
А теперь представьте, какой нужен электрический вариант двигателя для нагнетания такого объема! Повторюсь для повышения производительности нужно хотя бы 6 – 7 литров воздуха на холостых, и 25 на высоких и это для 1,6 литрового варианта, для больших объемов нужно больше.
Если провести аналогию с немецкими производителями, то там применяется как минимум бесколлекторный 0,5 КВт электромотор, который вращается с бешенными оборотами, может достигать до 20 000 и его способности к давлению составляют от 1 до 5 атмосфер.
Для более мощных автомобилей, применяются более мощные двигатели до 0,7 КВт.
Как становится понятно штатный генератор может и не потянуть такое потребление электричества, поэтому его заменяют на более мощный, либо ставят дополнительный.
А как известно высокое потребление энергии просто тормозит генераторы, а значит и увеличивает торможение двигателя, что скажется на его отдаче, понижается КПД.
Однако, проведенные эксперименты выявили рост производительности, примерно на 20 – 30% это существенно. Но из-за сложности и дороговизны устройств, применение на автомобилях пока не имеет массового производства.
Например, механические компрессоры намного дешевле и производительнее. Иногда разница в цене может достигать 5 – 7 раз.
Пару слов о китайских электро турбинах
Сейчас конечно на тех же китайских сайтах начинают появляться другие электро турбины, многие сделаны даже в форме улитки – аля механический компрессор. Но опять же нет ни показателей давления, ни потребления, ни перекачки воздуха. Думайте, прежде чем покупать. Смотрим познавательный ролик.
Можно ли сделать электро вариант своими руками
Гипотетически можно, причем многие такое устанавливают на свой автомобиль. Лично я также задумывался над установкой на свой авто, но цена меня остановила.
Вам нужно решить рад пунктов:
1) Однозначно установка мощного генератора, что на иномарку уже дорого.
2) Мощный и компактный электромотор, желательно бесколлекторный именно он отдает большие обороты при оптимальном потреблении энергии. Лично я видел такие для компактных моделей, однако мощностью от 0,5 Квт стоит также не дешево.
3) Крыльчатка и корпус. Также нужно сделать самому либо купить, для максимального нагнетания воздуха. Также непростая задача.
4) Ну и конечно стабилизатор или инверторы, для питания электромотора.
Задачи не простые, на некоторые иномарки нет мощных генераторов, так что сделать очень сложно!
Но многие умельцы, в гараж устанавливают на свои автомобили, прирост мощности действительно можно достичь до 20 – 30 %.
Понравилась статья? Подпишитесь на канал, чтобы быть в курсе самых интересных материалов
Устройство турбины автомобиля выполнено так, чтобы увеличить давление топлива в коллекторе впуска для обеспечения максимального поступление кислорода в камеру, где происходит сгорание. Основное назначение турбины – значительное увеличение мощности двигателя. Даже увеличение давления на 1 атмосферу в коллекторе приводит к попаданию в двигатель двойной порции кислорода. Это позволяет даже небольшому двигателю отдавать такую мощность, как вдвое больший его аналог, но не оснащенный турбонаддувом.
Внешний вид турбины
Принцип работы и устройство турбокомпрессора
Рассмотрим, как работает турбина в автомобиле. Поток выхлопных газов поступает из выпускного коллектора в горячую часть турбины, там воздействует на лопасти крыльчатки, приводя ее в движение вместе с валом. На нем закреплена также крыльчатка компрессора, расположенного в холодном отсеке турбины. Она при вращении повышает давление в системе впуска, обеспечивая увеличенное поступление в камеру сжигания топлива и воздуха.
Схема работы турбины
Устройство турбины автомобиля не сложное, она состоит из:
- Улитки компрессора, которая всасывает воздух, а затем нагнетает его в коллектор впуска;
- Улитки, расположенной в горячей части – здесь выхлопные газы заставляют вращать турбину, после чего выбрасываются в систему отработанных газов на выход;
- Крыльчатки компрессора, а также ее аналога в горячей части;
- Шарикоподшипникового картриджа;
- Корпуса, соединяющего улитки, имеющего систему охлаждения и системы подшипников.
Общее устройство турбины
Во время работы устройство подвергается значительным термодинамическим нагрузкам. Попадающие в турбину выхлопные газы достигают температуры 900°С, из-за чего ее корпус делают чугунным, причем для отливки используется особая технология. Обороты турбинного вала могут достигать показателя 200 000 об/мин, поэтому в конструкцию устанавливают высокоточные детали, которые тщательно подгоняют и затем балансируют. Также для турбины предъявляются высокие требования к смазочным материалам. Отдельные турбонагнетатели оборудованы так, что система смазки является одновременно охлаждением узла подшипников.
Система охлаждения и устройство турбонаддува
Охлаждающая система турбокомпрессоров необходима для улучшения передачи тепла от его механизмов и частей. Наиболее распространенные варианты охлаждения деталей — масляный способ и комплексное охлаждение антифризом и маслом. Оба типа имеют свои преимущества, но не лишены и недостатков.
Охлаждение маслом
- Простая конструкция;
- Удешевление турбокомпрессора.
- Меньшая эффективность в сравнении с системой, где выполняется использование антифриза с маслом;
Высокая требовательность к составу масла; - Необходимость часто его менять;
- Требовательность к контролированию температурного режима.
Турбина с масляным охлаждением
Изначально устройство турбокомпрессора имело только масляное охлаждение, которое быстро достигало высоких температур, проходя через подшипники. Такое масло начинает сразу закипать, возникает эффект коксования, из-за которого забиваются каналы, существенно ограничивая доступ охлаждения и смазки к подшипникам.
В результате подшипники изнашиваются, их заклинивает, необходим дорогостоящий ремонт. У такой неполадки имеется несколько причин:
- Некачественное или не то, которое рекомендовано для двигателя масло;
- Превышение сроков замены масла;
- Неисправности смазочной системы двигателя автомобиля.
Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимуществом этого варианта становится большая эффективность получаемого охлаждения. Существенный недостаток — усложнение конструкции турбонагнетателей, что повышает их стоимость.
Турбина с масляным и водяным охлаждением
Устройство турбонаддува в варианте охлаждения турбин антифризом и маслом более сложное, поскольку в нем имеется отдельный масляный контур, а также система с охлаждающей жидкостью. Зато повышается эффективность работы, устраняются проблемы закипания масла.
Для такого турбонагнетателя масло служит, как и прежде, для охлаждения и смазки подшипников, а антифриз, подаваемый из общей цепи охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и не дает закипать маслу. Из-за такой сложности увеличивается цена турбонагнетателя.
Конструктивные особенности
При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер — вспомогательный охладитель воздуха.
Интеркулер для турбины
Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность — задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.
Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.
Усовершенствование турбонаддува
Решая проблемы устройства турбин, конструкторами была разработана схема, в которой соединились нагнетатели двух компрессоров. Эта конструкция получила название twin-turbo.
Конструкция турбины твин-турбо
В такой системе используются параллельно пара одинаковых турбин. Их задача — повысить давление и объем поступающего воздуха. Система управления включает твин-турбо в момент, когда необходимо получить на повышенных оборотах максимальную мощность.
Подобный компрессор реализован в прославленном японском авто бренда Nissan, который получил имя Skyline Gt-R.
Двигатель ниссан с системой твин-турбо
В нем установлен мотор rb26-dett. Аналогичная система, однако, оснащенная одинаковыми небольшими турбинами позволяет получить заметный прирост мощности даже при малых оборотах, при этом поддерживать турбонаддув постоянно.
Последовательное соединение разных турбин получило название Bi-turbo.
Конструкция турбины би-турбо
Система би-турбо от БМВ
Инновационные разработки
В числе современных разработок, уже радующих автовладельцев, турбина VGT, у которой лопатки крыльчатки изменяют свой угол наклона, направляя ее в сторону, куда направлены выхлопные газы.
Турбина с изменяемым углом наклона лопаток
Также к инновационным разработкам относится система Twin-scroll, где благодаря двойному контуру, по которому совершают обход выхлопные газы, получается, что их энергия вращает общий ротор с компрессором и крыльчаткой.
Конструкция турбины Твин-скролл
При этом имеется два варианта реализации:
- Выхлопные газы проходят одновременно оба контура и система функционирует как twin-turbo.
- Второй тип работает наподобие схемы biturbo — имеется два контура, у которых разная геометрия. Когда обороты невысокие, выхлопные газы идут по краткому контуру, увеличивающему энергию и скорость благодаря небольшому диаметру. Если обороты повышаются, выхлопные газы поступают в контур, имеющий больший диаметр — при этом рабочее давление сохраняется во впускной системе и отсутствует запор для выхлопных газов. Распределение регулируют механические элементы — клапаны, переключающие потоки.
Заключение
Сейчас выпускают усовершенствованные турбины, поэтому их популярность возрастает все больше . Турбокомпрессоры перспективны как в плане форсирования моторов, так и потому, что повышают экономичность двигателя, чистоту его выхлопа.
Читайте также: