Газотурбинный наддув: Газотурбинный наддув на морских судах

Содержание

Наддув двигателя (двс)

Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение – повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции.

Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный – на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах – еще и дроссельная заслонка.

Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном – тогда воздуха в цилиндре “поместится” больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

В ДВС применяют три типа наддува:

  • резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
  • механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
  • газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.

У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.

Содержание статьи

  • 1 Резонансный наддув
  • 2 Механический наддув
  • 3 Газотурбинный наддув
  • 4 Комбинированные системы
  • 5 Рекомендации

Резонансный наддув

Настраиваемый впускной коллектор

Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.

Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.

Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора.
Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Механические нагнетатели

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.

Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.

Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.
Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам.
Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Механический наддув

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.

Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.

Интеркулер

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува.

При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Газотурбинный наддув

Турбокомпрессор

Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от “турбо”. Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.

К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.

Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения “атмосферного” двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи.

Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

VNT турбокомпрессор

При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски “turbo-lag”) — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и наконец, “пойдет” воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони.

Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен!

Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах.

Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

Комбинированные системы

Двухступенчатый наддув

Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.

Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».

Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Рекомендации

Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.

И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться.

Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.

Основные схемы газотурбинного наддува

Существует большое разнообразие схемного оформления систем газотурбинного наддува. На рис. 1 приведена наиболее распространенная схема турбопоршневого двигателя с газовой связью.

При работе двигателя отработавшие газы поступают на лопатки газовой турбины, которая приводит во вращение компрессор, подающий сжатый до определенного уровня воздух в двигатель. Такая схема обеспечивает высокий КПД и обладает сравнительной простотой. Конструктивное оформление схемы характеризуется малыми габаритами, а также обеспечивает уменьшение механических потерь. Кроме того, для реализации такой схемы возможно использование уже готовых газотурбонагнетателей.

В то же время, недостатком схемы является худшая приемистость, по сравнению с двигателем без наддува, и худшие пусковые качества (из-за пониженной степени сжатия), меньшие возможности увеличения мощности наддувом, по сравнению с механическим наддувом, недостаточность энергии газов при малых нагрузках. Схема, показанная на рис. 2, отличается от предыдущей наличием приводного компрессора как второй ступени наддува. Т.е. турбина вращает компрессор, который сжимает воздух и подает его на лопатки приводного компрессора, а последний «дожимает» воздух и двигателя его в двигатель. Такая схема обеспечивает получение высокого КПД двигателя, особенно в сравнении с механическим наддувом. Однако недостатки, связанные с ухудшенной приемистостью и плохими пусковыми свойствами, сохраняются.

На рис. 3 представлена схема турбопоршневого двигателя с комбинированной связью (как и в предыдушем случае). 

Однако в данной схеме компрессор с механическим приводом является первой ступенью наддува, а свободный турбокомпрессор обеспечивает вторую ступень повышения давления наддува. В этом случае достигается более высокая приемистость. Кроме того, в данной схеме, как и в предыдущей, обусловлена возможность промежуточного охлаждения воздуха, а это уменьшает мощность, необходимую на сжатие воздуха. Недостатком такого выполнения является более низкий КПД двигателя, чем по предыдущей схеме.

Для обеспечения хорошей приемистости целесообразно применение механической связи поршневого двигателя и лопаточных машин. На рис. 4 приведена схема такого турбопоршневого двигателя. В данном случае и компрессор, и турбина имеют механическую связь с валом двигателя.

Т.е. турбина в данном случае является силовой турбиной, передающей мощность на вал поршневого двигателя. При такой схеме наддува достигается более высокое давление наддува, не зависящее от мощности турбины. Схема обеспечивает полное использование энергии выпускных газов, вне зависимости от давления наддува. Кроме хорошей приемистости реализация такой схемы обеспечивает хорошие пусковые качества двигателя и эффективный газообмен при неустановившихся режимах работы. Недостатком такой схемы является пониженный КПД двигателя, особенно на частичных режимах. Кроме того, при механической связи турбины с валом двигателя нарушается рациональное соотношение окружной скорости рабочего колеса турбины со скоростью истечения газов, а следовательно, снижается КПД турбины.

Другой вариант комбинированного двигателя с механической связью поршневого двигателя и лопаточных машин представлен на рис. 5. Причем связь лопаточных машин с валом поршневой машины может быть выполнена прямой и жесткой или через гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта бесступенчато меняет передаточное отношение между двигателем и компрессором, что улучшает характеристики двигателя и его приспособляемость. Достоинством схемы является высокое давление наддува, не зависящее от мощности турбины, полное использование энергии выпускных газов, независимо от давления наддува. Как и в предыдущей схеме, механическая связь обеспечивает хорошие приемистость и пусковые свойства.

В схеме, показанной на рис. 6, механическая связь поршневой машины и лопаточных машин выполнена либо в виде механической передачи параллельно на турбину и компрессор, либо через гидромуфты. 

Такая схема обеспечивает все перечисленные ранее достоинства ДВС с механической связью, однако, ее недостатком является сложность и повышенные габариты. При работе гидромуфт осуществляется теплоотдача в масло. Гидромуфты (первая и вторая) используются для передачи полной мощности газовой турбины и полной мощности компрессора соответственно. Вариант выполнения комбинированного двигателя с механической связью показан на рис. 7.

Здесь применена лишь одна гидромуфта. В данной схеме сохраняются ранее перечисленные достоинства, включая и хороший газообмен при неустановившихся режимах. Как и в ранее приведенных аналогичных схемах, ухудшение экономичности двигателя связано как с наличием механического привода, так и с теплопотерями в масло. 

ДВС может быть выполнен с механической связью и двумя турбинами, причем одна из них является силовой (рис. 8).

Несмотря на наличие силовой турбины, все же тяговая характеристика ДВС в этом случае остается хуже, чем у газотурбинного двигателя. Для повышения мощности силовой турбины делают более ранее открытие выпускных элементов, связанных с силовой газовой турбиной. В этом случае улучшается тяговая характеристика двигателя. Достоинством такой схемы является высокое давление наддува, упрощение компоновки, расположение на двигателе, регулировки.

Объясняется это возможностью изменения передаточного отношения в приводе. Как видно из рисунка, при повышении момента потребителя и следовательно, снижении частоты вращения вала отбора мощности, связанного с водилом 4, снижается скорость обегания сателлитами 2 солнечной шестерни 3 и соответственно повышается частота вращения компрессора, т. е. повышается давление наддува, повышается возможность увеличения вращающего момента двигателя. Благодаря дифференциальному приводу достигается коэффициент приспособляемости более двух. Т.е. почти гиперболическая зависимость вращающего момента двигателя от частоты вращения вала.

Другой вариант дифференциальной связи между элементами ДВС показан на рис. 10. В данном случае силовая турбина перенесена на вал отбора мощности. 

Как и в предыдущем случае, с использованием такой схемы достигается почти гиперболическая зависимость момента, развиваемого двигателем, от частоты вращения вала (т.е. практически идеальная характеристика для двигателя транспортного назначения). Недостаткам всех таких схем является их сложность, громоздкость, механическая напряженность, а также проблемы с пуском. В случаях компоновки по схеме, показанной на рис. 11, поршневая машина выполняет функцию генератора газа (СПГГ), т.е. турбина является силовой или вообще используется как дизель-компрессор. Достоинством схемы являете благоприятное протекание кривой момента в функции от частоты, достижение коэффициента приспособляемости порядка 2,0 и более. Двигатель удобен в эксплуатации и ремонте, не требует тяжелых опор, легко регулируется отключением части СПГГ. В двигателе обеспечиваются высокие давления наддува, но и высокие максимальные давления цикла.

Моторесурс установки повышается. В изготовлении двигатель менее трудоемок. Обеспечивается возможность применения низкосортных альтернативных топлив. Достоинством является также отсутствие гидравлических или электромагнитных муфт. Недостатками такого выполнения является высокая термонапряженность деталей, сложность организации газообмена и смесеобразования, сложность самодействующих клапанов компрессора, а также сложность синхронизаторов движения поршней.

Механический и газотурбинный наддув воздуха в ДВС

Заглавная страница
Избранные статьи
Случайная статья
Познавательные статьи
Новые добавления
Обратная связь

КАТЕГОРИИ:

Археология
Биология
Генетика
География
Информатика
История
Логика
Маркетинг
Математика
Менеджмент
Механика
Педагогика
Религия
Социология
Технологии
Физика
Философия
Финансы
Химия
Экология

ТОП 10 на сайте

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Техника нижней прямой подачи мяча.

Франко-прусская война (причины и последствия)

Организация работы процедурного кабинета

Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний

Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Обработка изделий медицинского назначения многократного применения

Образцы текста публицистического стиля

Четыре типа изменения баланса

Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву



Мы поможем в написании ваших работ!

ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Влияние общества на человека

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Практические работы по географии для 6 класса

Организация работы процедурного кабинета

Изменения в неживой природе осенью

Уборка процедурного кабинета

Сольфеджио. Все правила по сольфеджио

Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 18Следующая ⇒

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым. Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму.

Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и GeneralMotors. Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.



Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «doublescrew» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку. Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса. Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере люб ительского тюнинга.

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува. При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания.

Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

 

 

Газотурбинный наддув

Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от «турбо». Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами.

Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува. Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения «атмосферного» двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи. Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков. При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски «turbo-lag») — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя — и наконец, «пойдет» воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони. Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики — подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (VariableNozzleTurbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах. Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒



Читайте также:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология



Последнее изменение этой страницы: 2016-07-16; просмотров: 928; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia. su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 176.9.44.166 (0.011 с.)

Газотурбинный надув — Газотурбинный наддув


Скачать 88.97 Kb.

НазваниеГазотурбинный наддув
АнкорГазотурбинный наддув
Дата01.06.2022
Размер88.97 Kb.
Формат файла
Имя файлаГазотурбинный надув.docx
ТипРеферат
#562954
Подборка по базе: АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ ПРИ, матрас надувной armed – Google Поиск.pdf, лекцмя наддув двс неисправности ГТН (2).docx

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования

«Новосибирский государственный технический университет»
Кафедра технологии машиностроения

Реферат по дисциплине:


«Тенденции развития двигателей и автомобилей»



Тема: «Газотурбинный наддув»

Выполнил:Проверил:

Студент гр. ТА-801, МТ Самуль А.Г.

Анохин Г.А.

«___» _________ 20__г. Балл ____________

_________________ «___» ________ 20__ г.

_________________

(подпись)

Новосибирск 2022

Содержание

1. Устройство и принцип работы…………………………………………..…….3

2. Способы подводов газов к турбине……………………………………..…….5

3. Схемы газотурбинных наддувов…………………………………………..…..7

Список литературы………………………………………………………………..9

1.Устройство и принцип работы

Газотурбинный наддув — является наиболее эффективным способом увеличения агрегатной мощности двигателя. При газотурбинном наддуве привод нагнетателя осуществляется от турбины, работающей на выпускных газах двигателя (рис.1).

Рисунок 1 — Схема газотурбинного наддува

В процессе работы двигателя с ГТН газы через выпускные клапаны направляются в газовую турбину (Т) и, совершая работу на лопатках рабочего колеса, приводят его во вращательное движение. Рабочее колесо турбины механически связано с рабочим колесом компрессора (К). В компрессоре осуществляется сжатие воздуха, засасываемого из окружающей среды до давления наддува . Сжатый воздух поступает в цилиндр двигателя через впускной клапан. Агрегат турбонаддува включающий газовую турбину и центробежный компрессор, обычно называют турбокомпрессором (ТК). Двигатель, имеющий турбокомпрессор называют турбопоршневым или комбинированным двигателем [1].

По сравнению с механическим наддувом ГТН имеет следующие преимущества:

1. Количество подаваемого воздуха автоматически меняется в зависимости от мощности двигателя, в то время как при механическом наддуве расход воздуха зависит только от частоты вращения коленчатого вала;

2. При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя используется энергия отработавших газов вследствие этого механический КПД на 4 – 6 % больше (отсутствие потерь на привод нагнетателя) и снижается удельный расход топлива;

3. ГТН осуществляется проще, т. к. не требуются сложные приводные редукторы.

4. По нагрузочной характеристике ( n=const ) при мощностях менее номинальной растёт при газотурбинном наддуве медленнее (рис. 2).

Рисунок 2 — Сравнительные нагрузочные характеристики дизеля

Это объясняется автоматическим изменением давления наддува в зависимости от мощности дизеля при ГТН. При механическом наддуве на каждом скоростном режиме сохраняется неизменное количество подаваемого воздуха, что при понижении мощности приводит к подаче лишнего неиспользованного воздуха и падению .

В целом газотурбинный наддув является наиболее экономичным, т. к. помимо роста эффективной мощности на улучшается экономичность двигателя. ГТН позволяет повысить его мощность на 50 – 70 %, а вообще мощностью двигателя без наддува может быть удвоена и утроена. В целях обеспечения прочности и допускаемой тепловой напряжённости при применении наддува в дизелях их мощность увеличивается не более чем в два раза.

2.Способы подвода газов к турбине

В настоящее время нашли практическое применение три вида 13 систем газотурбинного наддува, отличающиеся способом подвода газов из цилиндров к турбине.

Изобарная – с турбиной постоянного давления. В этом случае выпуск газов из цилиндров производится в общий коллектор, в котором давление газа, направляемого затем к турбине, выравнивается. Далее газ поступает в турбину постоянного давления и на её лопатках расширяется до атмосферного давления. Объём общего выпускного коллектора должен быть не менее чем в 15 раз больше рабочего объёма одного цилиндра, т. к. при относительно небольшом объёме коллектора наблюдаются пульсации давлений, снижающие КПД.;

Импульсная – с импульсной турбиной. Эта система применяется для лучшего использования кинетической энергии выхлопных газов. В этом случае турбина присоединяется коротким трубопроводом к отдельному цилиндру или к группе цилиндров, наиболее отстоящих друг от друга по фазе выпуска (у которых процесс выпуска чередуется без перекрытия). В момент открытия выпускного клапана цилиндра давление в секции коллектора резко возрастает, достигает максимума, а затем падает до тех пор, пока не начнётся выпуск в следующем цилиндре этой секции. Чтобы уменьшить потери энергии газов при истечении из цилиндра, объём секции выпускного коллектора должен быть по возможности минимальным. Газы из секции коллектора подводятся к отдельным каналам корпуса турбины. Таким образом, осуществляется парциальный подвод рабочего тела к направляющему аппарату [3].

С учётом обеспечения минимального объёма выпускного коллектора турбокомпрессор предпочтительнее располагать у середины коллектора, а не у края. На многих V-образных высокоскоростных дизелях устанавливают два турбокомпрессора, по одному на каждый блок.

Сериесная (последовательная) – представляет собой сочетание импульсной системы наддува в первой ступени турбины и изобарной во второй. Турбина постоянного давления имеет более высокий КПД. Тем не менее, импульсная турбина срабатывает определённую часть кинетической энергии газа, не используемую в турбине постоянного давления и потому для сравнительно малых давлений наддува (0,18 – 0,19 МПа), когда в общей энергии выпускных газов доля энергии импульса оказывается значительной, она более рентабельна. При ГТН с постоянным давлением при перекрытии клапанов истечение в одном цилиндре влияет на истечение в другом, что ухудшает очистку цилиндров. При импульсном наддуве очистка цилиндров улучшается из-за понижения давления в выпускном коллекторе в период перекрытия фаз распределения выпускных и впускных органов. У дизеля с импульсной системой наддува сокращается продолжительность переходных процессов. Мгновенный наброс нагрузки при изобарной системе сопровождается резким ухудшением показателей рабочего процесса из-за медленного нарастания частоты вращения ротора турбокомпрессора и давления наддува и соответственно низкого коэффициента избытка воздуха в цилиндре. При импульсной системе мгновенный наброс нагрузки сопровождается более быстрым нарастанием давления наддува. Это объясняется тем, что пульсация давления в выпускном коллекторе при полной подаче топлива сказывается весьма интенсивно. Поэтому возрастает энергия газов перед турбиной и частота вращения ротора турбокомпрессора. Преимущественной системой ГТН на автотракторных дизелях является система импульсного наддува или наддува с переменным давлением перед турбиной [1].

3.Схемы газотурбинных наддувов

Применяются главным образом две схемы связи ТК с двигателем:

1. Газовая;

2. Механическая.

Для автотракторных двигателей большее распространение получила газовая связь ТК с двигателем – свободный газотурбинный наддув. Применение свободного ГТН ухудшает тяговые характеристики и приёмистость двигателя. Это объясняется ухудшением снабжения двигателя воздухом при уменьшении частоты вращения коленчатого вала, значительной механической и тепловой напряжённостью двигателя, инерцией вращающихся масс ТК. Для улучшения разгона ТК на переходных режимах стремятся предельно облегчить ротор ТК или применяют несколько ТК на одном двигателе. При механической связи двигателя с ТК (рис.3) его вал связан с валом двигателя. При такой системе избыточная мощность газовой турбины (высокий КПД и давление газов перед турбиной) передаётся на коленчатый вал, а при недостаточной мощности на привод нагнетателя часть недостающей мощности берётся с вала [5].

Рисунок 3 — Схема ГТН при механической связи с двигателем

Агрегат, выполненный по такой схеме, обладает высокой приёмистостью и экономичностью. Чтобы получить наибольшую экономичность целесообразно между двигателем и турбиной ввести гидромеханическую передачу (ГМ). Вследствие усложнения конструкции, вызванного применением редуктора с большим передаточным отношение, и снижения коэффициента наполнения эта схема получила ограниченное распространение. Кроме описанных схем возможны различные конструктивные варианты систем наддува, которые представляют собой определённые комбинации механического и газотурбинного наддува. Например, наддувочный воздух может сжиматься не в одноступенчатом компрессоре, а последовательно в первой и второй ступенях компрессора, причём одна из ступеней соединена механически с двигателем (рис.4).

Рисунок 4 — Схема ГТН с двухступенчатым компрессором

Преимуществом такой схемы по сравнению со свободным наддувом является то, что несколько повышается приёмистость двигателя, однако топливная экономичность в этом случае ниже, чем при свободном наддуве [5]. Возможно создание силового агрегата, включающего поршневой двигателя с газотурбинным наддувом и отдельную силовую турбину, которая используется, например, для привода генератора постоянного тока (рис.5)

Рисунок 5 — Силовой агрегат с отдельной силовой турбиной

Список литературы

1. https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/5972/Agregaty_nadduva.pdf/.

2. https://uazbuka.ru/lib/book/Automotive_technology/glava_25.pdf.

3. https://mash-xxl.info/info/773879/.

4. https://naavtotrasse.ru/encziklopediya/tipy-nadduva-nagnetateli-istoriya.html.

5. https://privetstudent.com/referaty/referaty-transport/251-turbokompressory.html.

общая характеристика способов наддува в судовых дизелях

Если представить случай, что мощность на привод механического нагнетателя NB частично покрывается за счет газовой турбины (в двигателях с комбинированной системой наддува), то механический КПД выразиться зависимостью:

ηмехмн+ГТ = 1–Nмех+Nв+NгТ/Niн,          Форм.  1

где:

  • NгТ — мощность газовой турбины.

При одинаковом уровне форсировки двигателей (одинаковой индикаторной мощности) механические потери при комбинированной системе наддува будут меньше, чем при чисто механическом наддувеХарактеристики систем механического наддува, на величину NгТ. Очевидно, что в комбинированной системе ηмех будет выше.

Представим крайний случай — газотурбонагнетатель полностью заменил механическую воздуходувку (т. е. обеспечен чистый газотурбинный наддув). Механический КПД еще более возрастет (так как Nв-NгТ = 0) И определится зависимостью:

ηмехГТ = 1–Nмех/Niн          Форм. 2

Таким образом, при примерно одинаковых степенях наддува можно записать:

ηмехГТ > ηмехмн+ГТ>ηмехмн          Форм. 3

Такие соотношения КПД имеют место у реально выполненных конструкций как 4-тактных, так и 2-тактных двигателей. Максимальные значения ηмех при газотурбинном наддуве достигают ηмехгТ ≈ 0,95 (по сравнению с 0,70÷0,85 у двигателей без наддува).

Рекомендуем к прочтению: Влияние эксплуатационных факторов на работу турбокомпрессора и двигателя

Можно сказать, что использование энергии газов в газовой турбине представляет собой утилизацию тепла газов, отработавших в цилиндре дизеля. Для того чтобы использовать эту энергию непосредственно в цилиндре, потребовалось бы значительно увеличить ход поршня. Прирост индикаторной работы был бы сведен на нет дополнительными механическими потерями. Вот почему утилизация тепла с целью получения дополнительной работы задерживалась практически до тех пор, пока не появилась газовая турбина, способная с достаточной эффективностью использовать рабочее тело с большим удельным объемом при малых перепадах давления.

Утилизация тепла отработавших газов в газотурбонагнетателях была возможна в свое время только в 4 – тактных ДВС, у которых температура газа достигала 400÷450 °С (по сравнению с 260÷290 °С у 2 – тактных ДВС). При этом без какой-либо перестройки системы газообмена удавалось получить степень наддува λн = 1,2÷1,3 при Рк = 1,25÷1,30 ата. В настоящее время такие степени наддува – пройденный этап. В современных двигателях достигнуто λн — 2,5÷4,0 (2 – тактные дизели) и λн = 3,0÷5,0 (4-тактные дизели). В опытных конструкциях достигнуты еще более высокие показатели.

Форсировка двигателей наддувом происходит уже не за счет утилизации тепла отработавших газов, а за счет перераспределения энергии между цилиндром и газовой турбиной путем более раннего открытия выпускных органов. Такой путь ведет к снижению экономичности индикаторного процесса собственно дизеля, у которого при более раннем открытии выпускных органов уменьшается индикаторная работа. Снижение термического и индикаторного КПД цикла учитывается соответствующим уменьшением степени последующего расширения газов в цилиндре δ = Vв/Vz при сдвиге точки b на индикаторной диаграмме влево.

Читайте также: Параллельный комбинированный наддув

В то же время, дальнейшая форсировка двигателей наддувом приводит к увеличению цикловых подачи топлива и вынесению сгорания на линию расширения. Это также уменьшает δ за счет роста степени предварительного расширения ρ; при этом индикаторный КПД снижается.

Судовой турбонагнетатель
Источник: Pixabay.com

Величина максимального давления в цилиндре Pz при условии ε – const растет менее интенсивно, чем давление наддувочного воздуха Pк и среднее индикаторное давлениеОпределение среднего индикаторного давления Pi. Тем не менее, у современных ДВС максимальное давление в цилиндре достигло величины Pz = 120÷140 кг/см2. Желание снизить или оставить на прежнем уровне Pz и повысить надежность подшипников коленчатого вала требует снижения степени сжатия ε. Такое решение широко используется в практике дизелестроения. Однако оно ведет к дальнейшему уменьшению термического и индикаторного КПД.

Будет интересно: Последовательный комбинированный наддув

Несмотря на снижение индикаторного КПД собственно дизеля, эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива у высокофорсированных двигателей с газотурбинным наддувом сохраняются на прежнем уровне или даже изменяются в лучшую сторону за счет:

  1. Увеличения механического КПД;
  2. Уменьшения доли тепла, передаваемого в охлаждающую воду;
  3. Более рационального использования тепла в газотурбонагнетателе (повышением КПД турбины и компрессора), что позволяет уменьшить долю потерянного хода поршня для обеспечения баланса энергии газотурбонагнетателя.

Сноски

Способы повышения мощности дизелей. Наддув

Увеличение скорости хода современных судов требует применения мощных энергетических установок. И если для судовых паровых турбин фактор ограничения мощности не существует, то для судовых дизелей ограниченная мощность в одном агрегате является наиболее сложной проблемой.

Дизели судов небольшой и средней грузоподъемности ввиду высокого к. п. д. и малого удельного расхода топлива успешно конкурируют с другими двигателями, а для применения их на судах большой грузоподъемности необходимо увеличивать агрегатную мощность, для чего используют следующие способы:

  • увеличение рабочего объема цилиндра, т. е. его геометрических размеров: диаметра цилиндра D и хода поршня S;
  • увеличение частоты вращения коленчатого вала N об/мин;
  • увеличение количества цилиндров i ;
  • повышение среднего эффективного давления ре бар.

Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки и, главное, ограничения.

Увеличение геометрических размеров цилиндра вызывает возрастание массы подвижных деталей дизеля и, следовательно, инерционных усилий, отрицательно действующих на подшипники дизеля. Поэтому в настоящее время максимальные диаметры цилиндров судовых дизелей некоторых фирм имеют 1060 мм, а ход поршней достигает 2000 мм.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала повышает мощность двигателя, однако отрицательно действует на другие показатели и прежде всего снижает моторесурс, увеличивает удельный расход топлива, а при очень высокой частоте вращения для поддержания высоких к. п. д. гребного винта требуется применение понижающего редуктора между дизелем и винтом. Наиболее целесообразная частота вращения коленчатого вала для тихоходных дизелей с прямой передачей крутящего момента на гребной винт — до 100 об/мин, для дизелей со средними диаметром цилиндра и ходом поршня—400—500 об/мин, для высокооборотных дизелей (в дизель-электрических передачах — 750—1000 об/мин. )

Увеличение количества цилиндров дизеля приводит к увеличению его длины и длины машинного отделения, поэтому у однорядных тихоходных дизелей i = 10 ÷ 12; у быстроходных двухрядных (V-образных) и трехрядных (W-образных) число цилиндров практически ограничено, соответственно i = 24 и i = 36. При большем i усложняется конструкция дизеля и его эксплуатация.

Наиболее перспективным направлением для роста агрегатной мощности судовых дизелей является повышение его среднего эффективного давления ре за счет применения наддува.

Наддувом называется принудительное заполнение рабочего объема цилиндра воздухом повышенного давления, что увеличивает массу заряда воздуха, позволяет повысить также массу заряда топлива с сохранением оптимального коэффициента избытка воздуха α.

Наддув дизеля может осуществляться с применением механического нагнетателя воздуха с приводом от коленчатого вала; такой наддув называется механическим. Прирост мощности при механическом наддуве достигает 30%. Однако если учесть, что примерно половина этой мощности расходуется на привод нагнетателя, а механический к. п. д. ухудшается из-за увеличения числа трущихся узлов дизеля, то такой наддув является малоэффективным и на новых дизелях не применяется.

Наиболее эффективен газотурбинный наддув. Суть его заключается в следующем: от выхлопных газов двигателя, имеющих значительную температуру и давление, приводится в действие специальная газовая турбина, на общем валу с которой находится центробежный нагнетатель воздуха (рис. 88, а). Нагнетатель забирает воздух из машинного отделения, сжимает его и направляет в ресивер дизеля. Газотурбинный наддув в чистом виде применяется только у четырехтактных дизелей и позволяет увеличить мощность дизеля до 100% при давлении наддувочного воздуха до 2 бар.

У четырехтактных дизелей при пуске, когда газовая турбина не работает, пополнение цилиндра зарядом свежего воздуха происходит за счет разности давлений при движении поршня вниз во время пуска.

Обязательным условием работы двухтактного дизеля является наличие в ресивере воздуха повышенного давления. Если учесть, что газовая турбина начинает работать только тогда, когда дизель разовьет частоту вращения до 25% номинальной, то для его пуска необходимо иметь специальное устройство. Таким устройством может быть электронагнетатель периодического действия. Электронагнетатели не получили большого распространения, так как они усложняют конструкцию дизеля, требуют установки специальных заслонок и т. д.

На двухтактных дизелях параллельно и последовательно с газотурбинными нагнетателями устанавливают различные механические устройства, которые облегчают пуск дизеля и позволяют получать более высокие давления наддувочного воздуха. Такой метод наддува называется комбинированным. В качестве дополнительных механических нагнетателей при газотурбинном наддуве могут применяться индивидуальные (для каждого цилиндра) или общие (для всех цилиндров) поршневые продувочные насосы или объемные (ротативные) нагнетатели. В последнее время многие фирмы («Бурмейстер и Вайн», МАН) используют для дополнительного сжатия воздуха и для получения продувочного воздуха при пуске дизеля подпоршневые пространства рабочих цилиндров. Двигатели некоторых фирм в дополнение к газотурбинному наддуву имеют механические нагнетатели и рабочие подпоршневые полости цилиндров. Причем как подпоршневые пространства, так и механические продувочные насосы могут работать параллельно или последовательно относительно друг друга или относительно газотурбонагнетателей. При этом, для увеличения массы заряда в единице объема и, следовательно, повышения эффекта наддува, применяют промежуточные холодильники наддувочного воздуха. Выпускные газы, выходящие из цилиндра дизеля по изолированному трубопроводу, попадают в сопловой аппарат газовой турбины, где внутреняя энергия преобразуется в кинетическую, а оттуда на лопатки газовой турбины, ротор которой находится на одном валу с центробежным нагнетателем. Воздух из машинного отделения забирается нагнетателем и направляется через промежуточный холодильник в цилиндр дизеля.

Если выхлопные газы попадают в общий сборник-коллектор, а затем в сопловой аппарат турбины, такая турбина называется турбиной постоянного давления. У многих четырехтактных и некоторых двухтактных дизелей выхлопные газы направляют по индивидуальным или общим газопроводам (группируя несколько цилиндров) и подают на лопатки газовой турбины в виде импульсов; такая турбина называется импульсной газовой турбиной, а наддув—импульсным. На рис. 88, б показана группировка газопроводов четырехтактного шестицилиндрового дизеля с порядком работы цилиндров 1-3-5-6-4-2; группы цилиндров 1, 4, 5 (А) и 2, 3, 6 (Б) не имеют одновременного выпуска газов, и, следовательно, газы попадают из отдельных цилиндров на лопатки газовой турбины в виде импульсов. При ином числе и порядке работы цилиндров требуется другая группировка цилиндров.

При наддуве у четырехтактных дизелей значительно изменяются фазы газораспределения: их подбирают таким образом, чтобы время наполнения цилиндра по углу поворота мотыля коленчатого вала значительно увеличивалось. Если, например, открытие впускного клапана у четырехтактных дизелей без наддува происходит за 15—30° до в. м. т., а закрытие — через 10—30° после н. м. т., то у дизелей с наддувом открытие происходит за 40—80° до в. м. т., а закрытие — через 20—40° н. м. т. Значительно раньше открывается, а позже закрывается (относительно мертвых точек) и выпускной клапан: из цилиндра необходимо за короткое время выпустить значительно большее количество газов, чем у дизелей без наддува. Для лучшей продувки цилиндра и охлаждения камеры сгорания увеличивают и время перекрытия клапанов.

Схема газотурбинного наддува двухтактного двигателя с прямоточно-клапанной продувкой и с электронагнетателем, который используется при пуске, а также в качестве аварийного, показана на рис. 89, а. Во время работы дизеля отработавшие газы дизеля из цилиндров по индивидуальным патрубкам попадают на лопатки импульсной газовой турбины; продувочный воздух через промежуточный холодильник попадает в подпоршневое пространство цилиндров, которое работает последовательно с газотурбонагнетателем, затем проходит для продувки и заполнения цилиндра. Такой тип наддува применяется на двигателях фирмы «Бурмейстер и Вайн». На последних моделях дизелей этой фирмы и ее лицензиатов (в том числе и БМЗ) не ставят электронагнетатели Э. Н., так как продувка цилиндров при пуске дизеля и при выходе из строя газотурбонагнетателей обеспечивается подпоршневыми полостями цилиндров.

У двигателей «Гетаверкен» с прямоточно-клапанной продувкой вместо подпоршневых пространств используются индивидуальные для каждого цилиндра продувочные насосы (см. рис. 89, б). Такие насосы имеют и некоторые дизели с контурной продувкой («Фиат»).

Фирма МАН наряду с устройством газотурбонагнетателей и использованием подпоршневых пространств цилиндров на некоторых типах дизелей устанавливает поршневые продувочные насосы, которые могут работать последовательно с подпоршневыми пространствами всех или нескольких цилиндров и параллельно с газотурбонагнетателями.

Исследование характеристик прироста давления и характеристик цикла в газовых турбинах на основе межступенчатого стравливания вращательно-детонационного горения.

заявл. Мат. Модель. 2014; 38: 5174–5186. doi: 10.1016/j.apm.2014.04.017. [CrossRef] [Google Scholar]

2. Liu Y.Z., Sun X.X., Sethi V., Nalianda D., Li Y.G., Wang L. Обзор современных технологий сгорания с низким уровнем выбросов для авиационных газотурбинных двигателей. прог. Аэросп. науч. 2017;94:12–45. doi: 10.1016/j.paerosci.2017.08.001. [CrossRef] [Google Scholar]

3. Лу Ф.К., Браун Э.М. Двигатель с вращающейся детонационной волной: экспериментальные задачи, моделирование и концепция двигателя. Дж. Пропулс. Сила. 2014;30:1125–1142. doi: 10.2514/1.B34802. [CrossRef] [Google Scholar]

4. Paxson D.E., Perkins H.D. Рассмотрение тепловых нагрузок для газотурбинных двигателей с детонационным сгоранием; Материалы 40-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2014-3396; Форт-Лодердейл, Флорида, США. 11–14 июля 2004 г. [Google Scholar]

5. Кайласанатх К. Последние достижения в исследованиях двигателей с вращательно-детонационной волной; Материалы 55-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2017-0784; Грейпвайн, Техас, США. 9–13 января 2017 г. [Google Scholar]

6. Чан С., Лю Х. Массовое проектирование и оптимизация волновых роторов для улучшения газотурбинных двигателей. Ударные волны. 2016; 2:1–12. doi: 10.1007/s00193-016-0646-z. [CrossRef] [Google Scholar]

7. Бобуш Б.К., Берндт П., Пашерайт К.О., Кляйн Р. Безударное взрывное сгорание: инновационный способ эффективного сжигания постоянного объема в газовых турбинах. Сгорел. науч. Технол. 2014;186:1680–1689. doi: 10.1080/00102202.2014.935624. [CrossRef] [Google Scholar]

8. Берндт П., Кляйн Р. Моделирование кинетики безударного взрывного горения. Сгорел. Пламя. 2017; 175:16–26. doi: 10.1016/j.combustflame.2016.06.029. [CrossRef] [Google Scholar]

9. Винтенбергер Э., Шеперд Дж. Э. Термодинамический цикл анализа распространения детонации. Термодинамический анализ циклов распространения детонации. Дж. Пропулс. Сила. 2006; 22: 694–698. дои: 10.2514/1.12775. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

10. Wintenberger E., Sheperd J. E. Модель работы воздушно-реактивных импульсно-детонационных двигателей; Материалы 39-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2003-4511; Хантсвилл, Алабама, США. 20–23 июля 2003 г. [Google Scholar]

11. Волански П. Детонационный двигатель. проц. Сгорел. Инст. 2013; 34: 125–158. doi: 10.1016/j.proci.2012.10.005. [CrossRef] [Google Scholar]

12. Yao S.B., Ma Z., Zhang S.J., Luan M.Y. Явление реинициации в водородно-воздушном вращающемся детонационном двигателе. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия. 2017;42:28588–28598. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.09.015. [CrossRef] [Google Scholar]

13. Мэн К.Ю., Чжао Н.Б., Чжэн Х.Т., Ян Дж.Л., Ци Л. Численное исследование влияния массового расхода на входе на вращающуюся детонационную волну без предварительной смеси h3/воздух. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия. 2018;43:13618–13631. doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.05.115. [CrossRef] [Google Scholar]

14. Линь В., Чжоу Дж., Лю С.Дж., Линь З.Ю. Экспериментальное исследование CH 4 /O 2 непрерывно вращающейся детонационной волны в полой камере сгорания. Эксп. Терм. Науки о жидкости. 2015;62:122–130. doi: 10.1016/j.expthermflusci.2014.11.017. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

15. Блюмнер Р., Бохон М.Д., Пашерайт К.О. Динамика встречных волновых мод в РДК; Материалы 56-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2018-4572; Цинциннати, Огайо, США. 9–11 июля 2018 г. [Google Scholar]

16. Чжоу Р., Ван Дж. П. Численное исследование путей потока частиц и термодинамических характеристик непрерывно вращающихся детонационных двигателей. Сгорел. Пламя. 2012; 159:3632–3645. doi: 10.1016/j.combustflame.2012.07.007. [CrossRef] [Академия Google]

17. Paxson D.E., Fotia M., Hoke J., Schauer F. Сравнение численно смоделированных и экспериментально измеренных характеристик вращающегося детонационного двигателя; Материалы 53-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2015-1101; Киссимми, Флорида, США. 5–9 января 2015 г. [Google Scholar]

18. Paxson D.E. Влияние выхлопной трубы на полуидеализированные характеристики двигателя с вращающейся детонацией; Материалы 54-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2016-1647; Сан-Диего, Калифорния, США. 4–8 января 2016 г. [Google Scholar]

19. Чжэн Х.Т., Ци Л., Чжао Н.Б., Ли З.М., Лю С. Термодинамический анализ повышения давления непрерывно вращающейся детонационной камеры сгорания газовой турбины. заявл. науч. Базель. 2018;8:535. doi: 10.3390/app8040535. [CrossRef] [Google Scholar]

20. Кейсуке Г., Като Ю., Исихара К., Мацуока К., Касахара Дж., Мацуо А., Фунаки И. Экспериментальное исследование влияния конфигураций форсунок на характеристики вращающегося детонационного двигателя. ; Материалы 54-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2016-5100; Сан-Диего, Калифорния, США. 4–8 января 2016 г. [Google Scholar]

21. Браун Дж., Саракоглу Б.Х., Паниагуа Г. Нестационарная работа вращающихся детонационных двигателей с различными выхлопными соплами. Дж. Пропулс. Сила. 2016; 33:1–10. дои: 10.2514/1.B36164. [CrossRef] [Google Scholar]

22. Фотия М.Л., Шауэр Ф., Кемминг Т., Хок Дж. Экспериментальное исследование характеристик вращающегося детонационного двигателя с соплом. Дж. Пропулс. Сила. 2015; 31: 674–681. дои: 10.2514/1.B35913. [CrossRef] [Google Scholar]

23. Волански П. Применение непрерывной вращающейся детонации в газовой турбине. заявл. мех. Матер. 2015; 782:3–12. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.782.3. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

24. Ли Дж. М., Тео С. Дж., Кху Б. С., Ван Дж. П., Ван С. Управление детонацией для движения: импульсная детонация и вращающиеся детонационные двигатели (ударная волна и явления высокого давления) 1-е изд. Springer International Publishing AG; Чам, Швейцария: 2018. стр. 30–35. [Google Scholar]

25. Фролов С.М., Аксенов В.С., Иванов В.С., Шамшин И.О. Крупногабаритная водородно-воздушная камера сгорания с непрерывной детонацией. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия. 2015;40:1616–1623. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.11.112. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

26. Фролов С.М., Аксенов В.С., Иванов В.С. Трехмерное численное моделирование работы вращающейся детонационной камеры с раздельной подачей горючего и окислителя. Русь. Дж. Физ. хим. Б. 2013;7:35–43. doi: 10.1134/S19

113010119. [CrossRef] [Google Scholar]

27. Фролов С.М., Аксенов В.С., Иванов В.С. Экспериментальное доказательство увеличения КПД цикла Зельдовича по сравнению с циклом со сгоранием при постоянном давлении для водородно-кислородной топливной смеси. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия. 2015;40:6970–6975. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.03.128. [CrossRef] [Google Scholar]

28. Фролов С.М., Дубровский А.В., Иванов В.С. Трехмерное численное моделирование непрерывно вращающейся детонации в кольцевой камере сгорания с широким зазором и раздельной подачей горючего и окислителя. прог. Двигатели физ. 2016; 8: 375–388. doi: 10.1051/eucass/201608375. [CrossRef] [Google Scholar]

29. Naples A., Hoke J., Schauer F.R. взаимодействие вращающегося детонационного двигателя с кольцевым эжектором; Материалы 52-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2014-0287; Нэшнл-Харбор, Мэриленд, США. 13–17 января 2014 г. [Google Scholar]

30. Неаполь А., Хок Дж., Баттель Р.Т., Вагнер М., Шауэр Ф.Р. Реализация RDE в газотурбинном двигателе T63 без обратной связи; Материалы 55-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2017-1747; Грейпвайн, Техас, США. 9–13 января 2017 г. [Google Scholar]

31. Sousa J., Paniagua G., Morata E.C. Термодинамический анализ газотурбинного двигателя с вращающейся детонационной камерой сгорания. заявл. Энергия. 2017; 195: 247–256. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.03.045. [CrossRef] [Академия Google]

32. Ци Л., Чжао Н.Б., Ван З.Т., Ян Дж.Л., Чжэн Х.Т. Характеристика прироста давления непрерывно вращающегося детонационного горения и его влияние на характеристики газотурбинного цикла. IEEE-доступ. 2018;6:70236–70247. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2880994. [CrossRef] [Google Scholar]

33. Чжоу С.Б., Ма Х., Ли С., Лю Д.К., Ян Ю., Чжоу К.С. Влияние направляющего аппарата турбины на характеристики распространения вращающейся детонационной волны водород-воздух. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия. 2017;42:20297–20305. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.06.115. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

34. Чжоу С.Б., Ма Х., Ма Ю., Чжоу К.С., Лю Д.К., Ли С. Экспериментальное исследование вращающейся детонационной камеры сгорания с осевой турбиной. Акта Астронавт. 2018; 151:7–14. doi: 10.1016/j.actaastro.2018.05.047. [CrossRef] [Google Scholar]

35. Liu Q. Ph.D. Тезис. Харбинский инженерный университет; Харбин, Китай: 2013 г. Исследования по реформингу топлива и методу сжигания под давлением с вращающейся детонацией в камере сгорания. [Google Scholar]

36. Гавриков А.И., Ефименко А.А., Дорофеев С.Б. Модель прогнозирования размера детонационной ячейки на основе химической кинетики. Сгорел. Пламя. 2000;120:19–33. doi: 10.1016/S0010-2180(99)00076-0. [CrossRef] [Google Scholar]

37. Быковский Ф.А., Ждан С.А., Ведерников Е.Ф. Непрерывные спиновые детонации. Дж. Пропулс. Сила. 2006; 22:1204–1216. дои: 10.2514/1.17656. [CrossRef] [Google Scholar]

38. Же Л. , Джеймс Б., Гильермо П. Характеристика сверхзвуковой турбины после вращающейся детонационной камеры сгорания. Дж. Инж. Мощность газовых турбин. 2018; 141:1–13. doi: 10.1115/1.4040815. [CrossRef] [Google Scholar]

39. Ву Д., Лю Ю., Лю Ю.С., Ван Дж.П. Численные исследования рестабилизации водородно-воздушных вращающихся детонационных двигателей. Междунар. Дж. Гидрог. Энергия. 2014;39: 15803–15809. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.07.159. [CrossRef] [Google Scholar]

40. Цубои Н., Ватанабэ Ю., Кодзима Т., Хаяси А.К. Численная оценка тяговых характеристик ВРД на водородно-кислородной смеси. проц. Сгорел. Инст. 2015;35:2005–2013. doi: 10.1016/j.proci.2014.09.010. [CrossRef] [Google Scholar]

41. Кемминг Т., Фотия М.Л., Хок Дж., Шауэр Ф. Термодинамическое моделирование вращающегося детонационного двигателя с помощью подхода пониженного порядка. Дж. Пропулс. Сила. 2017; 33:1–9. дои: 10.2514/1.B36237. [CrossRef] [Google Scholar]

42. Яо С.Б., Тан Х.М., Ван Дж.П., Шао Ю. Т., Чжоу Р. Трехмерное численное исследование траекторий потока частиц во вращающемся детонационном двигателе с полой камерой сгорания. Сгорел. науч. Технол. 2017; 189: 965–979. doi: 10.1080/00102202.2016.1264941. [CrossRef] [Google Scholar]

43. Оран Э.С., Вебер Дж.В., мл., Стефанив Э.И. Численное исследование двумерной детонации h3-O2-Ar с использованием детальной модели химической реакции. Сгорел. Пламя. 1998;113:147–163. doi: 10.1016/S0010-2180(97)00218-6. [CrossRef] [Google Scholar]

44. Nordeen C., Schwer D., Schauer F., Hoke J., Cetegen B., Barber T. Термодинамическое моделирование вращающегося детонационного двигателя; Материалы 49-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, включая Форум New Horizons и аэрокосмическую выставку, AIAA 2011-803; Орландо, Флорида, США. 4–7 января 2011 г. [Google Scholar]

45. Уэмура Ю., Хаяши А.К., Асахара М., Цубои Н., Ямада Э. Механизм генерации поперечных волн при вращательной детонации. проц. Сгорел. Инст. 2013;34:1981–1989. doi: 10.1016/j.proci.2012.06.184. [CrossRef] [Google Scholar]

46. Граф А.П., Ридель Ю. Численное моделирование сверхзвуковых реактивных течений с использованием явных методов Рунге–Кутты; Материалы 38-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, AIAA 2000-438; Рино, Невада, США. 10–13 января 2000 г. [Google Scholar]

47. Быковский Ф.А., Ведерников Е.Ф. Непрерывная детонация дозвукового потока топлива. Сгорел. Взрывы. Ударные волны. 2003; 39: 323–334. doi: 10.1023/A:1023800521344. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

48. Schwer D., Kailasanath K. Численное исследование влияния размера двигателя на вращающиеся детонационные двигатели; Материалы 49-го совещания AIAA по аэрокосмическим наукам, включая Форум New Horizons и аэрокосмическую выставку, AIAA 2011-581; Орландо, Флорида, США. 4–7 января 2011 г. [Google Scholar]

49. Швер Д., Кайласанатх К. Численное исследование физики роторно-детонационных двигателей. проц. Сгорел. Инст. 2011;33:2195–2202. doi: 10. 1016/j.proci.2010.07.050. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

50. Яо К., Ли С.К., Ван Ю. Введение в горение: концепции и приложения. 2-е изд. Издательство Университета Цинхуа; Пекин, Китай: 2009. стр. 490–516. [Google Scholar]

51. Ван З.Т., Ли Дж., Фань К., Ма В.К., Лэй Х.Д. Метод прогнозирования низкоскоростных характеристик компрессора на основе модифицированной теории подобия с генетическим алгоритмом. IEEE-доступ. 2018;6:36834–36839. doi: 10.1109/ACCESS.2018.2846049. [CrossRef] [Google Scholar]

52. Ван З.Т., Ли Дж., Фан К., Ли С.Ю. Моделирование внепроектных характеристик морской газовой турбины на основе оптимального планирования регулируемых лопаток статора. Мат. Пробл. англ. 2017;2017:2671251. doi: 10.1155/2017/2671251. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]

53. Соуза Дж., Браун Дж., Паниагуа Г. Разработка инструмента быстрой оценки вращающейся детонационной камеры сгорания. заявл. Мат. Модель. 2017; 52:42–52. doi: 10.1016/j.apm.2017.07.019. [CrossRef] [Google Scholar]

Вычислительное исследование влияния давления на образование загрязняющих веществ в камерах сгорания газовых турбин | Дж. Инж. Газовые турбины Power

Пропустить пункт назначения

Научно-исследовательские работы

Э. М. Амин,

Г. Э. Эндрюс,

М. Пуркашнян,

А. Уильямс,

Р. А. Йеттер

Информация об авторе и статье

Дж. Инж. Газовые турбины Power . Январь 1997 г., 119(1): 76-83 (8 страниц)

https://doi.org/10.1115/1.2815565

Опубликовано в Интернете: 1 января 1997 г.

История статьи

Получено:

18 марта 1995 г.

Онлайн:

19 ноября 2007 г.

  • Просмотры
    • Содержание артикула
    • Рисунки и таблицы
    • Видео
    • Аудио
    • Дополнительные данные
    • Экспертная оценка
  • Делиться
    • MailTo
    • Твиттер
    • LinkedIn

  • Иконка Цитировать Цитировать

  • Разрешения

  • Поиск по сайту

Citation

Амин Э. М., Эндрюс Г. Э., Пуркашнян М., Уильямс А. и Йеттер Р. А. (1 января 1997 г.). «Вычислительное исследование влияния давления на образование загрязняющих веществ в камерах сгорания газовых турбин». КАК Я. Дж. Инж. Газовые турбины Power . январь 1997 г.; 119(1): 76–83. https://doi.org/10.1115/1.2815565

Скачать файл цитаты:

  • Рис (Зотеро)
  • Менеджер ссылок
  • EasyBib
  • Подставки для книг
  • Менделей
  • Бумаги
  • Конечная примечание
  • РефВоркс
  • Бибтекс
  • Процит
  • Медларс
панель инструментов поиска

Расширенный поиск

Проведено численное исследование влияния давления на образование NO x и сажи в осесимметричной 30-градусной вращающейся в противоположном направлении осевой завихритель с низким содержанием NO x газотурбинной камеры сгорания. Это ранее изучалось экспериментально, и это исследование CFD было предпринято для объяснения более высоких, чем ожидалось, выбросов NO x . Условия горения, выбранные для настоящего исследования, включали температуру воздуха на входе 300 К, общий коэффициент эквивалентности 0,4 и давление 1 и 10 бар. Используемая здесь численная модель включала решение усредненных по времени определяющих уравнений с использованием эллиптического решателя поля потока. Турбулентность моделировалась с использованием алгебраического моделирования напряжений (ASM). В основу термохимической модели была положена ламинарная формула пламени. Сохраняющийся скалярный/предполагаемый подход PDF использовался для моделирования химического взаимодействия турбулентности. Исследование проводилось для двух случаев давления 1 и 10 бар. Взаимодействие турбулентности и химии замыкается в предположении обрезанной формы функции Гаусса для флуктуаций доли смеси. Кинетические расчеты проводились отдельно от решателя поля течения с использованием кода противоположного ламинарного диффузионного пламени SANDIA. Профили температуры и видов были доступны для расчетов через справочные таблицы. Загрязняющими веществами, изучаемыми в данной работе, были сажа и NO, для которых требуются еще три дополнительных уравнения переноса, а именно: усредненная массовая доля сажи, усредненная плотность частиц сажи и, наконец, усредненная массовая доля NO. Окисление сажи было смоделировано с использованием только молекулярного кислорода, и было предсказано сильное влияние давления. Было показано, что давление оказывает основное влияние на образование сажи.

Раздел выпуска:

Газовые турбины: сгорание и топливо

Темы:

Камеры сгорания, Газовые турбины, Загрязнение, Давление, Сажа, турбулентность, Химия, Оксиды азота, Алгебра, горение, вычисление, Вычислительная гидродинамика, Компьютерное моделирование, Плотность, Диффузное пламя, Выбросы, пламя, Поток (Динамика), Флуктуации (физика), распределение Гаусса, Моделирование, окисление, кислород, Твердые частицы, скаляры, стресс, Температура

1.

Ализаде С. и Мосс Дж. Б., 1993 г., «Прогноз поля потока NO x и дымообразования в авиационных двигателях», AGARD-CP-536.

2.

Амин, Е.М., 1991, «Влияние вихря, вращающегося в противоположных направлениях, на горение и выбросы», M.Sc. диссертация, Университет Лидса.

3.

Амин, Э. М., 1994, «CFD-моделирование турбулентного диффузионного пламени», докторская диссертация, Университет Лидса.

4.

Эндрюс Г. Э., Амин Э. А., Ахмед Н. Т. и Ковкаби М., 19 лет.91, «Двойные осевые завихрители встречного вращения с впрыском топлива в слой встречного вихревого сдвига», представленный на Японском международном конгрессе по газовым турбинам, Иокогама.

5.

Bilger

R. W.

,

1976

, “

Турбулентное струйное диффузионное пламя

3 90

, Энергетическое сгорание. науч.

, Том.

1

, стр.

87

–

109

.

6.

Bilger

R.W.

,

1989

, “

Турбулентное диффузионное пламя

”,

3 Ann 9. Преподобный Жидкостный Мех.

, Том.

21

, с.

101

101

.

7.

Брэдли, Д., Диксон-Льюис, Г., Эль-Дин Хабик, Э., и Муши, Э. М. Дж., 1985, Двадцатый симпозиум (международный) по горению , Институт горения, Питтсбург, с. . 931.

8.

CROR

R. A.

,

Malte

P. C.

и

Marinov

N. M.

,

1992

, «

,

,‘

,

, ‘

Appalt

9003

,«

Appalt

9003

, ‘

Appalt

9003

,«

». для бедного, предварительно смешанного сгорания

»,

ASME JOURNAL OF ENGINEERING FOR GAS TURBINES AND POWER

, Vol.

114

, с.

425

425

.

9.

Dupont, V., Pourkashanian, M., и Williams, A., 1993, «Предсказания подсказки NO x в углеводородном воздушном пламени», AGARD Conf. проц. СР 536, с. 3-1–3-13.

10.

Fairweather, M., Jones, W.P., and Lindstedt, R.P., 1991, Двадцать четвертый симпозиум (международный) по горению , The Combustion Institute, Pittsburgh, PA.

11.

Fairweather

M.

,

Jones

W. P.

и

Lindstedt

R. P.

,

1991

,

Горючий. Пламя

, Том.

87

, стр.

289

–

305

.

12.

Fairweather

M.

,

Jones

W. P.

и

Lindstedt

R. P.

,

1992

,

,

1992

,

. Пламя

, Том.

89

, стр.

45

–

63

.

13.

Fenimore

C. P.

и

Jones

G. W.

,

1967

,

J. Phys. хим.

, Том.

71

, с.

593

593

.

14.

Flower, W.L., and Bowman, C.T., 1985, Двадцатый симпозиум (международный) по горению , Институт горения, Питтсбург, с. 1035.

15.

Флауэр, В. Л., и Боуман, К. Т., 1987, «Сажеобразование в осесимметричном ламинарном диффузионном пламени при давлении от одной до десяти атмосфер», Двадцать первый симпозиум (международный) по горению , Горение Институт, Питтсбург, с. 1115.

16.

Гаро

А.

,

Лахай

Дж.

и

3

Прадо

0114,

1990

,

Горение. Пламя

, Том.

76

, стр.

226

–

233

.

17.

Lefebvre, A.H., 1983, Gas Turbine Combustion , Hemisphere Publishing Corp., Washington, DC.

18.

Лефевр

А. Х.

,

1985

,

ASME POWER JOURNAL OF ENGINEERING FOR GAS TURBINES AND

0003

, Том.

107

, с.

24

24

.

19.

Leung

K. M.

,

Lindstedt

R. P.

и

Jones

W. P.

,

1991

,

. Пламя

, Том.

87

, стр.

289

–

305

.

20.

Маанс, Х.Г., и Миллер, И.М., 1980, NASA TP 1673.

21.

Miller, I.M., 1978, NASA TP 1318.

22.

Moss, J.B., Stewart, C.D., and Syed, K.J. Повышенное давление», Двадцать второй симпозиум (международный) по горению , Институт горения, Питтсбург, с. 413.

23.

Никол, Д., Мальте, П. К., Лай, Дж., Маринов, Н. Н., Пратт, Д. Т., и Корр, Р. А., 1992, «Чувствительность NO x для газотурбинных двигателей, работающих на обедненной смеси». — Предварительно смешанное горение и обычное диффузионное пламя», Документ ASME № 92-ГТ-115.

24.

Nikjooy

M.

,

SO

R. M. M.

и

Peck

R. E.

,

1988

, «

,

1988

,«

,

1988

, «

модели. Течения в осесимметричных камерах сгорания

»,

Горение. науч. и тех.

, Том.

58

, стр.

135

–

153

.

25.

Ризк, Н.К., и Монгиа, Х.К., 1986, AIAA Paper No. 86-1531.

26.

Rizk, N.K., and Mongia, H.C., 1992, Двадцать четвертый симпозиум (международный) по горению , The Combustion Institute, Pittsburgh, p. 1063.

27.

RODI

W.

,

1976

, «

Новая алгебраическая связь для расчета напряжений Рейнольдса

»,

Zamm

, Vol.

56

, с.

219

219

.

28.

Shaw

H.

,

1974

, «

Влияние воды, давления и эквивалентности на производство оксида азота в газовых турбинах

»

ASME Journe of Journe of Journe of Engrienerge of Engrienerge of Engrienerge of Engriengen ДЛЯ ПИТАНИЯ

, Том.

96

, стр.

240

–

246

.

29.

Валахович Т.Г., 1993, «Численное прогнозирование выбросов на холостом ходу от камер сгорания газовых турбин», Документ ASME № 93-GT-175.

30.

Wagner, H. Gg., 1987, «Влияние давления на образование сажи», AGARD-CP-422.

31.

Yoshihara, Y., Kazakov, A., Wang, H., and Franklach, M., 1994, Двадцать пятый симпозиум (международный) по горению , The Combustion Institute, Pittsburgh.

32.

Зельдович

Я. Б.

,

1946

,

Acta Physicochim. (СССР)

, т.

21

, с.

577

577

.

Этот контент доступен только в формате PDF.

В настоящее время у вас нет доступа к этому содержимому.

$25,00

Покупка

Товар добавлен в корзину.

Проверить Продолжить просмотр Закрыть модальный

Наддув самолета

Справочник по авиационным знаниям для пилотов,
Система наддува самолета
  • Наддув самолета для обеспечения полетов на большой высоте из-за потери давления и защиты пассажиров от воздействия гипоксии.
    • В типичной системе наддува кабина, полетный отсек и багажные отсеки объединены в герметичный блок, способный содержать воздух под давлением, превышающим внешнее атмосферное давление
  • Полеты на большой высоте позволяют снизить расход топлива при заданной воздушной скорости (эффективность) и избежать погодных условий и турбулентности над штормами
  • Кислородные маски предотвращают гипоксию, но они не помогают при блокаде носовых пазух и ушей или декомпрессионной болезни, кроме того, кислородные маски могут быть неудобными
  • Сжатый воздух обычно получают из турбонагнетателя или компрессорной секции газотурбинного самолета.
    • Воздушные суда с поршневыми двигателями могут использовать воздух, подаваемый от каждого турбонагнетателя двигателя через акустическую трубку Вентури (ограничитель потока)
    • На газотурбинных самолетах используется воздух, подаваемый от компрессорной ступени двигателя, который кондиционируется для салона
  • Система наддува кабины обычно поддерживает высоту давления в кабине ~8000 футов при максимальной проектной крейсерской высоте самолета [Рисунок 1:]
    • Предотвращает резкое изменение высоты кабины, что может вызвать дискомфорт или привести к травмам пассажиров и членов экипажа
    • Тем не менее, среднее давление внутри тела превышает давление вне тела, вызывая вздутие живота и общий дискомфорт
    • Меньшая высота салона снижает этот эффект, но доступна только для самолетов, изготовленных таким образом, чтобы выдерживать нагрузки, таких как самолет 787 с композитным корпусом
      • .
  • Система наддува обеспечивает достаточно быстрый обмен воздуха изнутри и снаружи кабины для устранения запахов и удаления спертого воздуха
  • Определения:
    • Высота самолета: фактическая высота над уровнем моря, на которой летит самолет
    • Температура окружающей среды: температура в зоне, непосредственно окружающей воздушное судно
    • Давление окружающей среды: давление в области, непосредственно окружающей воздушное судно
    • Высота кабины: давление в кабине в пересчете на эквивалентную высоту над уровнем моря
    • Перепад давления: разность давлений между давлением, действующим на одну сторону стены, и давлением, действующим на другую сторону стены. В системах кондиционирования воздуха и наддува самолетов это разница между давлением в кабине и атмосферным давлением
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям,
    Таблица стандартных давлений
  • Справочник пилотов по авиационным знаниям,
    Таблица стандартных давлений
  • Система контроля давления в кабине обеспечивает регулировку давления в кабине, сброс давления, сброс вакуума, а также средства выбора требуемой высоты кабины в изобарическом и дифференциальном диапазоне
  • Кроме того, сброс давления в кабине является функцией системы контроля давления
  • Для выполнения этих функций используются регулятор давления в кабине, выпускной клапан и предохранительный клапан
    • .
  • Регулятор давления в кабине регулирует давление в кабине до выбранного значения в изобарическом диапазоне и ограничивает давление в кабине до заданного значения перепада в этом диапазоне [Рисунок 2]
  • Когда воздушное судно достигает высоты, на которой разница между давлением внутри и снаружи кабины равна максимальному перепаду давления, на который рассчитана конструкция фюзеляжа, дальнейшее увеличение высоты воздушного судна приведет к соответствующему увеличению высоты кабины
  • Дифференциальное управление используется для предотвращения превышения максимального перепада давления, на которое рассчитан фюзеляж.
  • Этот перепад давления определяется конструкционной прочностью кабины и часто отношением размера кабины к вероятным областям разрыва, таким как области окон и дверей
  • Предохранительный клапан давления воздуха в кабине представляет собой комбинацию клапана сброса давления, вакуума и сброса давления
    • .
  • Клапан сброса давления предотвращает превышение давления в кабине заданного перепада давления выше атмосферного давления
  • Вакуумный предохранитель предотвращает превышение давления окружающей среды над давлением в кабине, позволяя наружному воздуху поступать в кабину, когда давление окружающей среды превышает давление в кабине
  • Переключатель управления в кабине экипажа приводит в действие клапан сброса
  • Когда этот переключатель находится в положении штока, открывается электромагнитный клапан, в результате чего клапан сбрасывает воздух из салона в атмосферу
  • Степень наддува и рабочая высота самолета ограничены несколькими критическими конструктивными факторами
  • В первую очередь фюзеляж рассчитан на определенный максимальный перепад давления в кабине
  • Некоторые приборы используются вместе с контроллером давления
    • .
  • Дифференциальный манометр кабины показывает разницу между внутренним и наружным давлением
  • Этот манометр следует контролировать, чтобы убедиться, что в кабине не превышается максимально допустимый перепад давления
  • Также предоставляется кабинный высотомер для проверки работоспособности системы
  • В некоторых случаях эти два инструмента объединяются в один
  • Третий прибор показывает скорость набора высоты или снижения кабины
  • Прибор скороподъемности кабины и высотомер кабины показаны на [Рис. 3]
    • Барометрическая высота кабины — эквивалентная высота внутри кабины
    • Поддержание давления в кабине внутри кабины снижает физическую нагрузку на тела пилота и пассажира
    • Разность давлений между кабиной и наружным воздухом

    • Ограничивает количество воздуха, забираемого из турбины, ускоряя воздух до звуковых скоростей, создавая ударную волну, которая действует как барьер
    • Этот воздух очень горячий и должен проходить через теплообменник для его охлаждения
    • После охлаждения воздух подается в кабину через выходы отопления и вентиляции

    • Выпускной клапан: Позволяет воздуху выходить из кабины с контролируемой скоростью, что приводит к повышению давления в кабине
    • Предохранительный/сбросной клапан: Если выпускной клапан выходит из строя, спускной клапан сбрасывает избыточное давление (можно активировать вручную) с помощью переключателя приседания, чтобы предотвратить повышение давления на земле
    • Вакуумный предохранительный клапан: Пропускает окружающий воздух в кабину

    • Индикатор перепада давления в кабине: Работает как высотомер, но имеет два эталона: давление наружного воздуха и давление в кабине
    • Индикатор скороподъемности кабины: Показывает скорость изменения давления в кабине
    • Справочник пилотов по авиационным знаниям,
      Приборы для повышения давления
    • Базовая предустановка: Когда давление в кабине достигает заданного значения (около 8000 футов)
    • Выпускной клапан начинает закрываться до тех пор, пока не будет достигнут максимальный перепад давления в кабине, после чего высота кабины не начнет увеличиваться
    • Скороподъемность кабины будет немного меньше скороподъемности самолета из-за более высокой плотности воздуха в кабине
    • Контроль давления в кабине: Пилот выбирает высоту, начинается наддув и может задать скорость, с которой кабина наддувается
    • Система перепада давления: Предотвращает превышение пределов перепада давления
    • Изобарический диапазон: Работает для поддержания заданного давления в кабине
    • Декомпрессия: неспособность системы наддува самолета поддерживать расчетный перепад давления
    • Проблемы могут быть вызваны неисправностью в системе наддува или повреждением конструкции самолета
    • Главной опасностью декомпрессии является гипоксия
    • Быстрое и правильное использование кислородного оборудования необходимо, чтобы избежать потери сознания
    • Другая потенциальная опасность, с которой сталкиваются пилоты, экипаж и пассажиры во время высотной декомпрессии, — это декомпрессионная болезнь, вызванная выделенным газом
      • .
    • Это происходит, когда давление на тело достаточно падает, азот выходит из раствора и образует пузырьки, которые могут оказывать неблагоприятное воздействие на некоторые ткани организма
    • Декомпрессия, вызванная повреждением конструкции самолета, представляет еще один тип опасности для пилотов, членов экипажа и пассажиров, которые выбрасываются или выбрасываются из самолета, если они находятся вблизи проемов
    • Лица, находящиеся вблизи проемов, должны всегда носить привязные ремни или ремни безопасности, когда самолет находится под давлением и они сидят
    • Структурные повреждения также могут подвергнуть их воздействию порывов ветра и чрезвычайно низких температур
    • Для сведения к минимуму этих проблем необходим быстрый спуск с высоты
    • Автоматические системы визуального и звукового оповещения включены в оборудование всех герметичных самолетов
      • Медленная декомпрессия опасна, поскольку ее может быть трудно обнаружить до тех пор, пока вы уже не почувствуете последствия гипоксии. Для помощи в обнаружении установлены сигнальные огни
      • Изменение давления в кабине, при котором декомпрессия легких происходит быстрее, чем в кабине, что исключает вероятность повреждения легких
      • Декомпрессия в течение 1-10 секунд, обычно связанная с серьезным повреждением конструкции
      • Кабина наполнится туманом из-за мгновенной конденсации водяного пара
      • В салоне станет очень холодно из-за немедленной потери нагретого воздуха
      • Также на больших высотах у вас будет только до 12 секунд полезного сознания
      • Быстрая декомпрессия сокращает период полезного сознания, потому что кислород в легких быстро выдыхается, уменьшая давление на тело
      • Это снижает парциальное давление кислорода в крови и сокращает время эффективной работы пилота на одну треть или одну четверть от нормального времени
      • По этой причине следует носить кислородную маску при полетах на очень больших высотах (35 000 футов или выше)
      • Членам экипажа рекомендуется выбрать настройку кислородного регулятора на 100 % на большой высоте, если самолет оборудован кислородной системой по требованию или по давлению
      • Относится к внезапному заметному падению давления в системе, которое происходит быстрее, чем легкие могут декомпрессировать
      • Как правило, это происходит в результате какой-либо усталости материала или технического сбоя, что приводит к внезапному выходу замкнутой системы во внешнюю атмосферу
      • Легким требуется около 0,2 секунды для декомпрессии без ограничения (маски)
      • Все, что длится менее 0,5 секунды, считается взрывной декомпрессией
      • Связан со взрывным насилием и потенциально опасен
      • Во время взрывной декомпрессии может быть шум, и на мгновение можно почувствовать ошеломление
      • Быстрая потеря давления может вызвать образование облака из-за быстрого падения температуры и изменения относительной влажности
      • Пыль или незакрепленные предметы могут попасть в воздух и перемещаться по кабине
    • Если вы столкнулись с декомпрессией, позаботьтесь о себе, самолете и своих пассажирах в указанном порядке
    • Когда пассажир любого воздушного судна замечен или подозревается, что он страдает от последствий DCS, будет запущен 100% кислород или доступный бортовой кислород, и пилот должен немедленно снизиться до минимально возможной высоты и приземлиться в ближайшем гражданском или военном установка, подходящая для безопасной посадки и получения квалифицированной медицинской помощи
    • Следует учитывать, находится ли установка вблизи медицинской камеры рекомпрессии
    • Чрезвычайно важно уметь распознавать симптомы и передавать их, а также высотный профиль медицинской поддержке

    • Кабина без декомпрессии:
      • Выпускной клапан заблокирован, предохранительный клапан должен разгерметизировать самолет, срабатывает WOW (Вес на колесах)
    • Кабина не герметична:
      • Выпускной клапан заедает в открытом положении

    • Несмотря на стандарт 8000 барометрической высоты в кабине, производители, такие как Gulfstream, снизили барометрическую высоту в кабине еще больше, поскольку достижения в области материаловедения выдерживают повышенные физические нагрузки.
      • См.: Gulfstream G700 предлагает более низкую высоту кабины
    • Все еще что-то ищете? Продолжить поиск:
    • Федеральное авиационное управление — Глоссарий пилотов/диспетчеров
    • CFI Notebook.net — Информационное руководство для пилотов
    • Справочник по авиационным знаниям для пилотов (6-32) Герметичный самолет

    газотурбинный двигатель | Британика

    Заголовок

    Просмотреть все СМИ

    Связанные темы:
    газотурбинный двигатель открытого цикла коптильня пожарная турбина двигатель с регулируемым циклом Цикл Брайтона

    См. всю соответствующую информацию →

    газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего как минимум из компрессора, камеры сгорания и турбины.

    Общие характеристики

    Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или воздушный винт или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло. Большое количество энергии может быть произведено таким двигателем, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания. Поршневые двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью коленчатого вала, тогда как газовая турбина напрямую передает мощность вращения вала. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективной установки должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих в процессе эксплуатации. Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

    Циклы газотурбинного двигателя

    Большинство газовых турбин работают по открытому циклу, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре и затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который проходит вокруг секции горения, а затем смешивается с очень горячими дымовыми газами, требуется для поддержания достаточно низкой температуры на выходе из камеры сгорания (фактически на входе в турбину), чтобы турбина могла работать непрерывно. Если блок должен производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остаток доступен для подачи работы вала к генератору, насосу или другому устройству. В реактивном двигателе турбина спроектирована так, чтобы обеспечить мощность, достаточную для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины при промежуточном давлении (выше местного атмосферного давления) и подается через сопло для создания тяги.

    Сначала рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при температуре 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаля, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширяться через турбину обратно в атмосферное. давление. Для этого идеализированного устройства потребуется мощность турбины 1,68 киловатта на каждый киловатт полезной мощности, при этом 0,68 киловатта поглощается для привода компрессора. Тепловой КПД агрегата (чистая произведенная работа, деленная на энергию, добавленную за счет топлива) составит 48 процентов.

    Викторина «Британника»

    Энергия и ископаемое топливо

    От ископаемого топлива и солнечной энергии до электрических чудес Томаса Эдисона и Николы Теслы — мир живет за счет энергии. Используйте свои природные ресурсы и проверьте свои знания об энергии в этой викторине.

    Фактическая производительность простого открытого цикла

    Если для агрегата, работающего в пределах одного и того же давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов (, т. е. , работа идеального компрессора равна 0,8-кратной фактической работе, а идеальный выход), ситуация резко меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый произведенный киловатт полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатта, а работа компрессора становится равной 1,71 киловатта. Тепловой КПД падает до 25,9.процент. Это иллюстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложилось так, что разработка эффективных компрессоров была труднее, чем эффективные турбины, что задержало разработку газотурбинного двигателя. Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

    КПД и выходная мощность могут быть увеличены за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбин движутся с высокими скоростями и подвергаются сильным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100°C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует оптимальная степень повышения давления. Современные авиационные ГТУ с охлаждением лопаток работают при температуре на входе в турбину выше 1370°С и степени повышения давления около 30:1.

    Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

    Промежуточное охлаждение, подогрев и регенерация

    В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на массу и размер диаметра. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по идеализированному выше простому циклу Брайтона. Эти ограничения не распространяются на стационарные газовые турбины, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности. Улучшения могут включать (1) снижение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) снижение расхода топлива за счет регенерации.

    Первое усовершенствование будет включать сжатие воздуха при почти постоянной температуре. Хотя на практике этого достичь невозможно, его можно приблизить к промежуточному охлаждению (, т. е. , сжимая воздух в два или более этапа и охлаждая его водой между этапами до исходной температуры). Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха, а вместе с ним и необходимую работу сжатия.

    Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс аналогичен повторному нагреву, используемому в паровой турбине.

    Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье усовершенствование. Здесь горячие выхлопные газы турбины проходят через теплообменник или регенератор для повышения температуры воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано с большим увеличением первоначальных затрат и будет экономически выгодным только для агрегатов, которые работают почти непрерывно.

    Датчики перепада давления

    идеально подходят для контроля воздушных фильтров газовых турбин

    | Ravi Jethra

    Воздушные фильтры газовых турбин на электростанциях со временем засоряются твердыми частицами и шламом, что снижает эффективность работы и выработку электроэнергии. Турбинные фильтры необходимо контролировать на предмет очистки или замены по мере необходимости. Идеальным решением является использование датчика перепада давления для измерения нагрузки на фильтр путем постоянного контроля давления с обеих сторон фильтра. Газовые турбины необходимы в современных системах производства электроэнергии. Топливо, такое как природный газ, впрыскивается в камеру сгорания, где оно смешивается со сжатым воздухом и воспламеняется при воспламенении. Сила сгорания вращает лопасти турбины. Лопасти приводят в действие компрессор, который нагнетает дополнительный воздух, направляемый в камеру сгорания, а также вращает генератор для выработки электроэнергии. Поскольку газовой турбине требуется не только топливо, но и воздух, не содержащий твердых частиц, воздушные фильтры играют важную роль в производстве электроэнергии. В то же время они могут создать ответственность, поскольку забитые фильтры приводят к падению давления, снижению выходной мощности (до 10%) и, если их не устранить, могут сократить срок службы турбины. Даже если фильтр совершенно новый, само его присутствие создает падение давления при прохождении через него окружающего воздуха. Поскольку фильтр собирает твердые частицы, влагу или шлам, давление падает еще больше. Фильтр быстро загрязняется. Например, газовая турбина мощностью 150 МВт в промышленной зоне, где взвешенные частицы в воздухе составляют >10 частей на миллион, может потреблять до 100 фунтов. твердых частиц ежедневно. Если из-за грязного фильтра давление падает ниже определенного предела, его необходимо очистить импульсным способом (в самоочищающихся системах) или заменить (в несамоочищающихся системах). Поэтому электростанции нуждаются в точных устройствах измерения давления для контроля потери давления. Преобразователь дифференциального давления идеально подходит для этого применения.

    Необходимость постоянного контроля турбинных фильтров

    Производители фильтров указывают два значения потери давления: 1) значение при первой установке и 2) значение, когда он «полностью загружен» и подлежит замене или очистке. Падение давления следует контролировать постоянно, чтобы у инженера-технолога была информация о состоянии фильтра во времени. Эти данные важны для определения различных факторов, влияющих на работу фильтра. Например, если временная диаграмма показывает резкое увеличение потери давления одним утром при наличии тумана, это означает, что фильтр изготовлен из материала, плохо работающего в присутствии влаги. Во влажном климате переход на более влагостойкий фильтр может значительно повысить эффективность работы газовой турбины, а также снизить затраты на замену фильтра и оплату труда. Непрерывный мониторинг также позволяет инженеру определить, вызвана ли низкая производительность газовой турбины забитым фильтром или какой-либо другой причиной. И, конечно же, следя за потерей давления, инженер узнает, когда пора заменить или очистить фильтры.

    Датчики перепада давления предоставляют точные данные о потерях давления в режиме реального времени

    Датчики перепада давления и датчики перепада давления, которые отправляют показания в удаленные места, обычно используются в газовых турбинах. Эти небольшие устройства измеряют давление с обеих сторон фильтра, а затем сообщают о разнице в качестве потери давления. На большинстве объектов события как высокого, так и низкого давления вызывают срабатывание сигнализации в системе управления. События высокого давления обычно происходят, когда фильтр полностью загружен или унесен влагой. Большинство событий низкого давления связаны с разрывами или повреждением материала фильтрующего материала или утечкой через уплотнения системы фильтрации. Аварийные сигналы об отключении также распространены, когда потеря давления становится чрезмерно высокой, поскольку полностью забитый фильтр может привести к перегреву и повреждению компонентов турбины.

    Компактный датчик перепада давления WIKA (Tecsis) обеспечивает точность и гибкость

    Tecsis, дочерняя компания WIKA, производит популярный датчик перепада давления модели SP007. С диапазоном водяного столба 0-10 дюймов он используется для контроля фильтров в новых турбинах, выпускаемых крупными производителями турбин, и получает неизменно положительные отзывы за надежность и гибкость установки. Передатчик Tecsis SP0007 имеет небольшие габариты, поэтому его можно разместить в ограниченном пространстве на компактных салазках газовой турбины. Он также относительно легкий, что добавляет гибкости для пользовательских установок в зависимости от требований клиента. Минимизация потерь давления на фильтрах обеспечивает оптимальное охлаждение и работу турбины. Согласно отраслевым расчетам, снижение потерь давления может привести к экономии более 300 000 долларов США в год для газовой турбины мощностью 150 МВт. Квалифицированный персонал службы технической поддержки WIKA ответит на любые ваши вопросы об измерении дифференциального давления или применении преобразователя Tecsis модели SP007.

    Щелкните здесь, чтобы загрузить информационный документ «Мониторинг безопасности и эффективности: важность измерения уровня, расхода, давления, температуры и силы на гидроэлектростанциях»

    • приложения
    • производство электроэнергии
    • давление
    • измерение давления

    Оставить комментарий

    © 2022 WIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG0001

    Показаны 1-4 из 156 страниц в этом отчете.

    PDF-версия также доступна для скачивания.

    Описание

    Энергетические системы, основанные на простейшей прямой интеграции генератора на твердом оксидном топливном элементе под давлением (ТОТЭ) и газовой турбины (ГТ), способны преобразовывать энергию природного газа в электроэнергию с эффективностью примерно 60% (чистая мощность переменного тока). /LHV), и могут быть разработаны более сложные ТОТЭ и газовые турбины для достижения еще более высокой эффективности. Обсуждаются результаты проекта, направленного на разработку концептуального проекта энергосистемы ТОТЭ/ГТ под давлением, предназначенной для выработки 20 МВт с КПД не менее 70%. Энергосистема работает с базовой нагрузкой в ​​приложении распределенной генерации. К … продолжение ниже

    Физическое описание

    Среда: P; Размер: 154 страницы

    Информация о создании

    Лундберг, В. Л.; Исраэльсон, Г.А.; Мориц, Р.Р.; Вейо, С.Э.; Холмс, Р.А.; Zafred, P.R. et al. 1 февраля 2000 г.

    Контекст

    Этот отчет входит в состав сборника под названием: Управление научно-технической информации Технические отчеты а также предоставлено отделом государственных документов библиотек ЕНТ к Электронная библиотека ЕНТ, цифровой репозиторий, размещенный на Библиотеки ЕНТ. Его просмотрели 158 раз. Более подробную информацию об этом отчете можно посмотреть ниже.


    Поиск
    Открытый доступ

    Кто

    Люди и организации, связанные либо с созданием этого отчета, либо с его содержанием.

    Авторы

    • Лундберг, В. Л.
    • Израэльсон, Г.А.
    • Мориц, Р.Р. Роллс-Ройс Эллисон

    директор

    • Вейо, С. Э. Руководитель проекта

    Авторы

    • Холмс, Р.А.
    • Зафред, P.R.
    • Кинг, Дж. Э.

    Консультант

    • Котманн, Р. Э. Консультант
    • Соединенные Штаты. Министерство энергетики. Министерство энергетики США (США)

    Издатель

    • Федеральный центр энергетических технологий (США)

      Информация об издателе: Федеральный центр энергетических технологий, Моргантаун, Западная Вирджиния, и Питтсбург, Пенсильвания (США)

      Место публикации: Моргантаун, Западная Вирджиния

    Предоставлено

    Библиотеки ЕНТ Отдел государственных документов

    Являясь одновременно федеральной и государственной депозитарной библиотекой, отдел государственных документов библиотек ЕНТ хранит миллионы единиц хранения в различных форматах. Департамент является членом Программы партнерства по контенту FDLP и Аффилированного архива Национального архива.

    О | Просмотрите этого партнера

    Свяжитесь с нами

    Исправления и проблемы Вопросы

    какая

    Описательная информация, помогающая идентифицировать этот отчет. Перейдите по ссылкам ниже, чтобы найти похожие элементы в электронной библиотеке.

    Описание

    Энергетические системы, основанные на простейшей прямой интеграции генератора на твердом оксидном топливном элементе под давлением (ТОТЭ) и газовой турбины (ГТ), способны преобразовывать энергию природного газа в электроэнергию с эффективностью примерно 60% (чистая мощность переменного тока). /LHV), и могут быть разработаны более сложные ТОТЭ и газовые турбины для достижения еще более высокой эффективности. Обсуждаются результаты проекта, направленного на разработку концептуального проекта энергосистемы ТОТЭ/ГТ под давлением, предназначенной для выработки 20 МВт с КПД не менее 70%. Энергосистема работает с базовой нагрузкой в ​​приложении распределенной генерации. Для достижения высокой эффективности система объединяет газовую турбину с промежуточным охлаждением, рекуперацией и подогревом с двумя ступенями генератора ТОТЭ: одна работает при высоком давлении и вырабатывает электроэнергию, а также обеспечивает все тепло, необходимое для турбины высокого давления, а вторая Генератор ТОТЭ работает при более низком давлении, вырабатывает электроэнергию и обеспечивает все тепло для турбины промежуточного подогрева низкого давления. Описывается системный цикл, определяются размеры основных компонентов системы, оценивается стоимость установки системы и обсуждается физическое расположение компонентов системы. Также представлены оценки выходной мощности системы, эффективности и выбросов в расчетной точке, а также разработана оценка системных затрат на электроэнергию.

    Физическое описание

    Среда: P; Размер: 154 страницы

    Примечания

    OSTI as DE00772401

    Предметы

    Ключевые слова

    • Дизайн
    • Эффективность
    • Электроэнергия
    • Электричество
    • Газовые турбины
    • Природный газ
    • Оксиды
    • Энергетические системы
    • Твердоэлектролитные топливные элементы
    • Турбины

    Тематические категории ИППП

    • 03 Природный газ
    • 24 Передача и распределение электроэнергии
    • 30 Прямое преобразование энергии

    Источник

    • Другая информация: PBD: 1 февраля 2000 г.

    Язык

    • Английский

    Тип вещи

    • Отчет

    Идентификатор

    Уникальные идентификационные номера для этого отчета в электронной библиотеке или других системах.

    • Отчет № : DE—AC26-98FT40355—01
    • Грант номер : AC26-98FT40355
    • https://doi. org/10.2172/772401
    • Отчет Управления научной и технической информации № : 772401
    • Архивный ресурсный ключ : ковчег:/67531/metadc722546

    Коллекции

    Этот отчет является частью следующего сборника связанных материалов.

    Управление научно-технической информации Технические отчеты

    Отчеты, статьи и другие документы, собранные в Управлении научной и технической информации.

    Управление научной и технической информации (OSTI) — это офис Министерства энергетики (DOE), который собирает, сохраняет и распространяет результаты исследований и разработок (НИОКР), спонсируемых Министерством энергетики, которые являются результатами проектов НИОКР или другой финансируемой деятельности в DOE. лаборатории и объекты по всей стране, а также получатели грантов в университетах и ​​других учреждениях.

    О | Просмотрите эту коллекцию

    Какие обязанности у меня есть при использовании этого отчета?

    Цифровые файлы

    • 156 файлы изображений доступны в нескольких размерах
    • 1 файл (. pdf)
    • API метаданных: описательные и загружаемые метаданные, доступные в других форматах

    Когда

    Даты и периоды времени, связанные с этим отчетом.

    Дата создания

    • 1 февраля 2000 г.

    Добавлено в цифровую библиотеку ЕНТ

    • 29 сентября 2015 г., 5:31.

    Описание Последнее обновление

    • 13 июля 2017 г. , 10:00.

    Статистика использования

    Когда последний раз использовался этот отчет?

    Вчерашний день: 0

    Последние 30 дней: 1

    Всего использовано: 158

    Дополнительная статистика

    Взаимодействие с этим отчетом

    Вот несколько советов, что делать дальше.

    Поиск внутри

    Поиск

    Начать чтение

    PDF-версия также доступна для скачивания.

    • Все форматы

    Цитаты, права, повторное использование

    • Ссылаясь на этот отчет
    • Обязанности использования
    • Лицензирование и разрешения
    • Связывание и встраивание
    • Копии и репродукции

    Международная структура взаимодействия изображений

    Мы поддерживаем IIIF Презентация API

    Распечатать/поделиться

    Полезные ссылки в машиночитаемом формате.

    Архивный ресурсный ключ (ARK)

    • ERC Запись: /ark:/67531/metadc722546/?
    • Заявление о стойкости: /ark:/67531/metadc722546/??

    Международная структура взаимодействия изображений (IIIF)

    • IIIF Манифест: /арк:/67531/metadc722546/манифест/

    Форматы метаданных

    • УНТЛ Формат: /ark:/67531/metadc722546/metadata. untl.xml
    • DC RDF: /ark:/67531/metadc722546/metadata.dc.rdf
    • DC XML: /ark:/67531/metadc722546/metadata.dc.xml
    • OAI_DC : /oai/?verb=GetRecord&metadataPrefix=oai_dc&identifier=info:ark/67531/metadc722546
    • МЕТС : /ark:/67531/metadc722546/metadata. mets.xml
    • Документ OpenSearch: /ark:/67531/metadc722546/opensearch.xml

    Картинки

    • Миниатюра: /ark:/67531/metadc722546/миниатюра/
    • Маленькое изображение: /ковчег:/67531/metadc722546/маленький/

    URL-адреса

    • В текст: /ark:/67531/metadc722546/urls.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *