Паровые турбины: как горячий пар превращается в электричество

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих. Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.

Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя. То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.
Турбокомпрессор или турбонагнетатель
— устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Турбированный мотор: достоинства и недостатки

Популярность турбодвигателей вызвана их преимуществами перед обычными, заключающимися в:

• увеличении мощности до 30% и уменьшении расхода топлива (турбомотор будет потреблять меньше горючего, нежели ДВС аналогичной мощности, но без турбины);
• уменьшении загрязнения окружающей среды;
• лучшем соотношении веса агрегата к развиваемой мощности;
• более тихой работе механизма;
• возможности оптимизировать другие параметры двигателя.

Однако есть и свои минусы:

• требовательность к качеству масла и бензина, что в конечном итоге повышает расходы на эксплуатацию авто;
• сложный ремонт, требующий применения специального оборудования, выполнить который своими силами маловероятно. Нередко турбина и вовсе оказывается непригодной к ремонту, а её полная замена заметно ударяет по кошельку автовладельца.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Диагностика нагнетателя воздуха

Как определить без специальных приборов, что турбокомпрессор сломался? Во-первых, об этом свидетельствует падение мощности мотора. При этом из глушителя валит плотный белый дым, а расход смазывающего материала нередко вырастает до нескольких литров на 100 км. Это означает, что нагнетатель нужно немедленно сдавать в ремонт либо покупать новый – иногда замена изношенных подшипников и уплотнительного кольца не дает положительного результата.

Во-вторых, часто возникают ситуации, когда белая дымовая «завеса» как таковая отсутствует. Вот только двигатель никак не может выйти на положенную ему мощность, и никакого сигнализатора на панели приборов не загорается. Выход у владельцев турбированных автомобилей только один – срочный заезд в автосервис. Владельцам турбодизелей проще: о проблеме с нагнетателем воздуха красноречиво свидетельствует черный дым на холостых оборотах. Причем далеко не факт, что турбосистема безнадежно отказала – она может быть просто изношенной и вполне ремонтопригодной.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Где используется

В основном, такой агрегат можно встретить на современных автомобилях. Но используется данный нагнетатель не на всех ДВС. Сдерживающим фактором применения турбины на бензиновых моторах является высокая степень детонации. Она связана с увеличением частоты вращения ДВС и огромной температурой выхлопных газов (до тысячи градусов). Ввиду этого часто используется турбина на дизельном двигателе. Принцип работы такого ДВС несколько иной. Здесь меньший риск детонации, а температура газов не превышает 600 градусов. Особенно часто компрессоры встречаются на коммерческом транспорте. Невозможно представить современный автобус или магистральный тягач, не оснащенный такой турбиной. Если говорить о марках, то турбина устанавливается на следующие авто:

• «Фольксваген».
• «Мерседес».
• «Вольво».
• «Мазда».
• «Ауди».
• «Рено».
• «Тойота».

Есть и другие сферы, где применяется подобный элемент. Например, это электростанции и ДВС кораблей. Но здесь используется уже паровая турбина, принцип работы которой мы рассмотрим немного позже.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Вот это «улитка»!

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.