Паровая турбина: устройство, принцип работы и рекомендации по изготовлению

Что такое наддув

Настал такой момент, когда инженеры поняли, что наращивать объемы моторов дальше уже некуда. Его масса превышала зачастую массу самого автомобиля, а это требовало дополнительных лошадиных сил, и так до бесконечности. Тогда-то и решили, что поднимать мощность нужно не объемом цилиндра, то есть камеры сгорания, а ее наполняемостью горючей топливно-воздушной смесью. Техническая возможность реализовать все это появилась уже в 1910 году, но пути реализации разошлись. Понятно, что для того, чтобы заставить смесь в большем количестве поступать в камеру сгорания, необходимо принудительное давление воздуха. Тогда и стали использовать атмосферный наддув.

Это своеобразная система труб разного сечения, в которую во время движения автомобиля попадает встречный воздух. За счет геометрии и изменения сечений труб, давление повышалось, и наполняемость камеры сгорания смесью воздуха и топлива улучшалась. Как следствие, росла и мощность. Но этого было недостаточно, поэтому, немного позже появился механический наддув. Его конструкция представляла собой воздушный компрессор, приводимый в движение от ДВС, как правило, с помощью шкива и клиноременного ремня.

Система эта используется и сейчас, но еще позже она трансформировалась в совершенно другой нагнетатель типа Рутс. Это совсем другая история и трогать его сегодня мы не станем. Механика механикой, но в 1905 году Альфред Бюхи изобрел и запатентовал совершенно новый вид наддува, который перевернул понятия о мощности ДВС. С его помощью Бюхи увеличил мощность двигателя на 120%, а устройство называлось турбонаддув.

Пару слов о китайских электро турбинах

Буквально 2 года назад, «автоинтернет» просто взорвался от электрических турбин из Китая. Предлагалась небольшая «штуковина», которая устанавливалась в разрыв шланга воздухозабора, которая якобы нагнетала воздух с давлением в двигатель, обещанное увеличение мощности аж до – 15%! Сам двигатель представлял из себя непонятный кулер, ни потребление электричества, ни обороты, ни прокачиваемый воздух – показателей не было. Если разобрать его даже визуально, то становится понятно — что это кулер на подобии продвинутых компьютерных, ну что он может увеличить? НИЧЕГО! Так что просто не покупаем – это РАЗВОД.

Сейчас конечно на тех же китайских сайтах начинают появляться другие электро турбины, многие сделаны даже в форме улитки – аля механический компрессор. Но опять же нет ни показателей давления, ни потребления, ни перекачки воздуха. Думайте, прежде чем покупать. Смотрим познавательный ролик.

TEDC

TEDC представляет собой механическую турбину с дополнительным компрессором, приводимым в движение электродвигателем. Согласно расположению компрессора относительно турбины, эти системы классифицируются на варианты выше и ниже по потоку (выше и ниже турбины соответственно). В целом они характеризуются значительно лучшей отзывчивостью при переходных процессах на” днищах » за счет независимости электродвигателя от инерции турбины и вала. Более того, TEDC в нисходящем потоке в этом отношении превосходит варианты в восходящем за счет того, что последние имеют большой объем для поддержания давления. Еще одно преимущество этого типа электрических турбин-минимальные отличия от механических.

Механическое оборудование

В конструкции устройства находится три цилиндра, они собой представляют статор, который имеет вращающийся ротор и металлический корпус. Отдельно находящиеся роторы соединены муфтами. Цепочку, собирающуюся из котла, генератора и роторов, называют валопроводом. Его максимальный размер может быть не более 80 м.

Валопровод производит вращение во вкладышах в опорных подшипниках. Вся работа происходит в масляной среде, металлических элементов вкладышей вал не касается. Сегодня роторы устанавливаются на двух подшипниках.

В определенных ситуациях между роторами, которые принадлежат к ЦСД и ЦВД, находится только один подшипник. Пар, расширяющийся в турбине, заставляет роторы вращаться. Вся мощность, вырабатывающаяся отдельным элементом, суммируется на полумуфте в общий показатель и здесь же доходит до своего максимума.

Модель паровой турбины своими руками

Парова́я маши́на – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина – любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Значение паровых машин

Паровые машины использовались как приводной двигатель в насосных станциях, локомотивах, на паровых судах, тягачах, паровых автомобилях и других транспортных средствах. Паровые машины способствовали широкому распространению коммерческого использования машин на предприятиях и явились энергетической основой промышленной революции XVIII века. Поздние паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания, паровыми турбинами и электромоторами, КПД которых выше.

Паровые турбины, формально являющиеся разновидностью паровых машин, до сих пор широко используются в качестве приводов генераторов электроэнергии. Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86 % мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Паровая турбина. Первые упоминания о паровых двигателях относятся к началу первого века до нашей эры. Относительно простой принцип действия сделал этот паровой двигатель основным для человечества на сотни лет.

Принцип работы

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением, поступает на лопатки турбины. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию, используемую генератором. Генератор производит электричество.

Электрическая мощность паровых турбин зависит от перепада давления пара на входе и выходе установки. Мощность паровых турбин единичной установки достигает 1000 МВт.

Попробуем изготовить простейшую модель паровой турбины своими руками.

Модель паровой турбина своими руками

 

Оборудование: две консервные банки, жестяная полоса, корпус металлической шариковой ручки для изготовления форсунки, винт с гайкой, подставка, свеча или таблетка сухого горючего (спиртовка, электроплита).

Порядок выполнения работы:

1. В крышке вырезаем два отверстия: одно под диаметр форсунки, второе – под гайку крепления турбины.

2. Припаиваем к крышке гайку и форсунку из металлической ручки.

3. Изготавливаем турбину. Для этого делим основание консервной банки на 4 части, потом каждую четвертинку на 2 части, и наконец каждую дольку на пополам. Надрезаем дольки примерно до середины радиуса. Загибаем лопатки турбины плоскогубцами. В центре сверлим отверстие.

4. Держатель турбины выгибаем из жестяной полосы в виде буквы П.

5. Прикручиваем турбину в держатель так, чтобы она свободно вращалась. В качестве оси берем винт с гайкой.

6. Винтом прикручиваем держатель с турбиной к крышке над форсункой. Обязательно проверяем, чтобы она ни за что не цеплялась.

7. Турбина готова к запуску. Наливаем воду, ставим турбину на огонь и дожидаемся закипания воды. Пар будет под давлением вырываться из форсунки и крутить турбину.

Система смазки

Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Но не стоит думать, что эта система нужна только для смазки. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому, достигается лучшее охлаждение, но такая конструкция значительно сложнее и дороже в производстве.

Дабы избавиться от турбоямы, производители постоянно совершенствуют конструкцию турбины на дизеле. Принцип работы ее остается прежним, но меняются следующие моменты:

  • Масса компрессора. Турбина изготавливается из одновременно легких и прочных материалов (например, из керамики).
  • Конструкция подшипников. Чем меньше потери на трение, тем выше производительность турбины. Колесо легче раскручивается до номинальных значений.

Паровая турбина вместо паровой машины

Часто звучит мнение — а зачем нам паровую машину изобретать? Давайте сразу паровую турбину!

Там деталей всего — колесо с лопатками и клапан выхода пара — регулировать мощность можно элементарно.

Нет ни поршней (для которых точность изготовления — это КПД), нет ни шатунов из которых смазка летит и которые всю машину разбалансируют, и которые в первую очередь разрушаются, если машина пойдет в разнос.

Не нужно также сложного устройства ограничения скорости оборотов, с маятниками и клапанами. Нужно просто прийти к Уатту и открыть ему глаза, ибо «а пацаны-то и не знают».

Хочу вас разочаровать. Пацаны знали.

Во-первых, не следует думать, что в те времена машины строили на ощупь. Уже все рассчитывалось до винтика. Для интересующихся есть подборка книг на английском языке, самые старые книги — 1805 год.

Как для попаданца в средневековье, то взятая оттуда «Cyclopedia of Engineering» 1910 года (в шести томах) была бы просто спасением, сейчас на эти темы так книги не пишут.

Нас интересует второй том, где речь идет про паровые турбины.

Во-вторых, почему-то мы сейчас решили, что во времена, когда внедряли паровую машину, никто не знал о турбине. Знали. И знал сам Джеймс Уатт.

И даже более того — его про турбину спрашивали: а не угрожает ли турбина изобретенной им паровой машине? На что он ответил: «О какой конкуренции может идти речь, если без помощи Бога нельзя заставить рабочие части двигаться со скоростью 1000 футов в секунду?»

Попытаюсь объяснить, почему он так ответил. Но сначала — о том, чего он не знал (и что знаем мы). Мы знаем сопло Лаваля. Это всего лишь форма сопла, из которого выходит пар, что крутит лопатки турбины.

У него есть одна особенность — пар выходит с очень большой скоростью, быстрее скорости звука.

Для сопла турбины — чем выше скорость, тем больше из потенциальной энергии давления переходит в кинетическую энергию, которая нам и нужна.

Чтобы ее линейная скорость была высокой, а количество оборотов низким — нужно строить турбинное колесо большого диаметра. Так и было — диаметр в 3 метра был нормальным решением.

Паровая турбина — как сделать своими руками. Жми!

Именно такое оборудование работает на ТЭЦ и электростанциях. Правда, для некоторых мастеровых людей не составляет особой трудности сделать их аналоги скромных размеров в домашних условиях.

Принцип функционирования

Схема работы паровой турбины. (Для увеличения нажмите)

  • Дело в том, что паровая турбина по большому счету это часть специального механизма, основная задача которого преобразование энергии пара в электрическую или тепловую.
  • Технологически весь процесс выглядит следующим образом:
  1. При сжигании различных видов топлива в топке вода превращается в пар.
  2. При дальнейшем перегреве пара до 435 ºС и давлении 3.43 МПа пар по трубам передается на турбину, где при помощи особых частей происходит его равномерное распределение по соплам.
  3. С сопел пар подается на специальные лопатки изогнутой формы, что крепятся на валу, из-за этого они вращаются, в результате чего кинетическая энергия трансформируется в механическую.
  4. Вал генератора является «электродвигателем» наоборот и вращается при помощи ротора турбины, и это позволяет вырабатывать электричество.
  5. Далее пар в конденсаторе при контакте с холодной водой опять превращается в воду, которую насосы снова закачивают на разогрев.

Для этих целей будет использоваться обычная консервная банка, проволока из алюминия, кусочек жести, и крепежные материалы.

Перечисленные материалы позволят сделать задуманное дома, не применяя для этих целей специальное оборудование и инструмент. Данная турбина будет наглядно демонстрировать превращение энергии пара в электричество.

Процесс изготовления

После этого крепится полоска на другое отверстие, крыльчатка закрепляется лопастями напротив трубки.

Сооружение крепят на проволочную подставку, берут шприц с водой и ее заполняют, а снизу зажигают сухое топливо. Из трубки будет вырываться струя пара, что приведет в движение импровизированный ротор.

Правда, мощности такой турбины ни на что не хватит, поскольку кпд ее очень низкий. Она может рассматриваться только в качестве макета для того, чтобы понять принцип работы оборудования.

Изготовление небольшого генерирующего устройства электроэнергии своими руками

С кулера следует снять электрический двигатель и установить на одной оси с крыльчаткой.

Полученное устройство следует монтировать в круглом алюминиевом корпусе. За основу берется крышка чайника, а точнее ее диаметр.

В его дне проделывают отверстие, куда при помощи паяльника монтируется трубка, из которой делают змеевик. Противоположный конец трубки следует подвести к лопаткам крыльчатки, благодаря чему конструкция и работает.

Змеевик – это наиболее важная часть всего устройства. Для его изготовления лучше использовать проволоку из меди, правда с учетом малой толщины и постоянным перегревом она имеет небольшой срок эксплуатации. Поэтому, оптимально в устройство ставить нержавеющую трубку.

Залив воду в чайник и поставив его на плиту замечаем, что при закипании образуется пар, энергии которого хватит для зарядки мобильного телефона или работы светодиодной лампочки.

Характерно, что в домашних условиях подобная электростанция может использоваться, как игрушка, поскольку ввиду малой мощности электричества его не хватит для работы оборудования или бытовой техники.

Стоит отметить: если вы отправляетесь в многодневный поход и возьмете с собой данное оборудование, то по достоинству сможете оценить все плюсы, которые оно дает. Например, вы сможете подзарядить аккумулятор мобильного телефона, фотоаппарата или других гаджетов.

К сожалению, дома сооружение паровой турбины, мощность которой будет порядка 500 Вт и более очень сложно и сопряжено с большими денежными затратами.

Смотрите видео, в котором опытный пользователь демонстрирует возможности и устройство паровой турбины, изготовленной своими руками:

Принцип работы паровой турбины

Принцип работы паровой турбины очень прост. Паровая турбина работает по основному принципу цикла Ренкина.

Рис: Работа паровой турбины

Источник изображения: https://schoolworkhelper.net/

При работе паровой турбины, прежде всего, вода из внешнего источника (например, реки, моря или канала) поступает в секцию котла с помощью насоса. Затем вода в котле нагревается до очень высокой температуры, чтобы вода могла преобразоваться в пересыщенный пар.

В котле выработка пара зависит от теплоты сгорания и скорости потока, а также от используемой площади поверхности теплообмена. По мере выработки пара в котле, пар направляется в зону турбины. Фактически, в этих турбинах энергия давления пара преобразуется в К.Е. после прохождения пара через сопло.

Когда пар сталкивается с лопастями ротора, он создает динамическое давление на вал и лопасти ротора. По этой причине и вал, и лопасти начинают вращаться в одинаковом направлении. В результате этого процесса тепловая энергия пара превращается в энергию вращения лопастей ротора, и ротор начинает вращаться.

С ротором турбины соединен вал. Вал получает энергию вращения от ротора и начинает вращаться.

Генератор, называемый парогенератором, соединяется с валом через катушку. Вал вращает катушку генератора в магнитном поле. При вращении катушки в магнитном поле вырабатывается электричество, которое течет по проводам.

Благодаря простой конструкции этих турбин, вибрация намного ниже, чем у других двигателей с такой же скоростью вращения.

Как работает

Стоит отметить, что принцип работы турбины на бензиновом двигателе такой же, как и на дизельном. Во время работы ДВС вырабатываются выхлопные газы. Они поступают в корпус (горячую часть улитки), где двигаются по лопаткам турбинного колеса. Последнее раскручивается до невероятных скоростей – 100 и более тысяч оборотов в минуту. Поскольку турбинное колесо жестко соединено с валом, крутящий момент передается на вторую холодную часть турбины. Та, в свою очередь, начинает захватывать кислород из атмосферы. Он проникает внутрь после того, как пройдет через фильтр. Далее воздух под давлением попадает во впускной коллектор, где смешивается с топливом и проникает в камеру сгорания. В качестве материалов для корпуса турбины используются жаропрочные марки стали и железоникелевый сплав.

Производительность компрессора зависит от ее формы и габаритных размеров. Чем больше ее диаметр, тем больше воздуха засасывается во впускной коллектор. Но нельзя постоянно увеличивать размеры компрессора. Это может привести к турбозадержке. Малая турбина раскручивается значительно быстрее до номинальной скорости. Но на пике имеет меньшую производительность. Поэтому размеры и форма элемента подбираются строго индивидуально для каждого ДВС. Нельзя установить агрегат от бензинового авто на дизельный, и наоборот. Хоть и имеет одинаковый принцип работы турбина, действовать она будет иначе на разных авто.

Важный момент: для регулирования давления наддува в конструкции предусмотрен специальный перепускной клапан. Он имеет пневматический привод, а управляется ЭБУ двигателя.

Активный принцип

Принцип работы паровой турбины основан на том, что любое тело имеет большую энергию, если передвигается с высокой скоростью. Но необходимо учесть одно: энергия быстро падает при снижении скорости. Так, есть несколько вариантов развития событий:

  1. Удар пара о статичную платформу. В этом случае энергия, которую имеет тело, частично перейдет в тепловую, а оставшаяся расходуется на то, чтобы отвести частички жидкости назад. Безусловно, какой-то полезной работы не происходит.
  2. Удар об движущуюся поверхность. В этом случае определенная часть энергии затрачивается на то, чтобы сместить платформу, а оставшаяся так же потратится впустую.

Во время использования активного принципа в турбине применяется только последний вариант. Но надо понимать, что в процессе работы оборудования нужно минимизировать потери энергии на бесполезную работу. Второе условие состоит в том, что необходимо направить поток пара так, чтобы он не деформировал диски во время удара. Добиться этого можно только с учетом специально созданной формы лопасти.

Идеальной поверхностью является та, которая обеспечивает плавный поворот, после этого пар направится в обратную сторону. Говоря по-другому, требуется, чтобы лопатки были сделаны в виде полукруга. Так, ударяясь о поверхность, основная часть энергии передастся диску и заставит его вращаться. Потери же будут минимальными.

Классификация и виды паровых турбин

Паровые турбины по характеру теплового процесса делятся на три вида:

  • конденсационные;
  • теплофикационные;
  • теплофикационные с промышленным отбором пара;
  • противодавленческие.

Конденсационные турбины называются так потому, что работают они с выпуском отработавшего пара в конденсатор. Бывают стационарными и транспортными. Такие турбины являются самыми распространенными. Они имеют маркировку «К». 

Конденсаторные паровые турбины используются для выработки электричества. Такие турбины ставят на ГРЭС. 

Стационарные паровые турбины используют на электрических станциях, транспортные — в качестве двигателей на морских судах. 

Теплофикационные турбины одновременно дают как электрическую, так тепловую энергию. Имеют маркировку «Т». Устанавливаются обычно на ТЭЦ, где помимо выработки электрической энергии они получают тепловую энергию для отопления и горячего водоснабжения. Теплофикационные турбины бывают 3-х видов:

  • с регулируемым отбором пара;
  • с противодавлением;
  • с отбором и противодавлением.

Теплофикационные турбины с отбором пара имеют маркировку «ПТ». В таких турбинах часть пара уходит на поддержание стороннего производства (фабрики, завода). Пар может обратно возвращаться на электростанцию в виде конденсата или полностью теряться. 

Теплофикационные турбины летом могут работать в конденсационном режиме. 

Турбины с противодавлением имеют маркировку «Р». В таких турбинах отсутствует конденсатор. Отработанный пар используют для варки, сушки и отопления, а также для поддержания другого производства. 

На турбинах с противодавлением и отбором часть пара отводится, а отработанный — из выпускного патрубка поступает в отопительную систему или к сетевым подогревателям.

3 Механический турбонагнетатель воздуха – своими руками совершенствуем авто!

Наиболее эффективен режим турбо на впрысковых бензиновых двигателях. Моторы карбюраторного типа также могут работать с механическим нагнетателем, однако им необходима определенная доработка своими руками, в частности, установка жиклеров с увеличенным сечением и другие меры. В случае с инжекторным двигателем все сводится к новой прошивке.

Механический нагнетатель, работающий от коленвала двигателя, имеет несомненное достоинство – он работает абсолютно синхронно с агрегатом и в режиме турбо обеспечивает равномерную подачу воздуха в соответствии с оборотами мотора. Однако такое устройство будет отбирать для своей работы часть мощности движка.

Самыми распространенными вариантами построения механических нагнетателей, которые можно установить своими руками, являются три типа:

  • Центробежный аппарат – применяется как самостоятельно в виде компрессора, так и в комбинации с другими устройствами. Принцип работы достаточно прост – лопатки, вращающиеся на большой скорости, захватывают воздух и забрасывают внутрь корпуса, который имеет улиткообразную форму. На выходе из корпуса поток воздуха приобретает нужное для режима турбо давление. Невысокая стоимость устройства и возможность установки своими руками сделали его наиболее популярным. Однако в его работе хватает и сложностей, в частности, с техобслуживанием.
  • Нагнетатель ROOTS – представляет собой лопатки ротора, которые помещены в замкнутый корпус. Воздух захватывается на входе, за счет высокой скорости вращения лопаток воздух приобретает более высокое давление на выходе. Главный недостаток устройства такого типа – неравномерность подачи воздушного потока, что вызывает пульсацию давления в режиме турбо. Однако относительно тихая работа, надежность и компактность заставляют автомобилистов мириться даже с таким недостатком. При определенных навыках обращения с техникой вам не составит труда установить такой наддув своими руками.
  • Нагнетатель LYSHOLM – представитель винтового типа аппаратов. Принцип работы схож с предыдущим – поток воздуха создается роторами, которые вращаются на высокой скорости. Главное отличие этого типа нагнетателей – маленький зазор между винтами, что вызывает множество сложностей в проектировании и установке таких изделий. Встречаются они на автомобилях нечасто и стоят недешево. Устанавливать их своими руками не рекомендуется, лучше обращаться к специалистам по турбонаддуву.

Устройство и принцип действия

По своим конструктивным особенностям, котельные установки обладают достаточно схожей структурой. В их состав входит несколько рабочих узлов, которые принято считать определяющими – непосредственно сам котел, электрический генератор и турбина. Последние два составляющих образуют кинетическую связь между собой, а одной из разновидностей подобных систем является турбинный электрогенератор парового типа.

Если смотреть более глобально, то подобные установки представляют собой полноценные тепловые электростанции, пусть и меньших габаритов. Благодаря своей работе, они способны обеспечивать электричеством не только гражданские объекты, но и крупные промышленные отрасли.

Сам же принцип действия паровых электрических генераторов сводится к следующий основным моментам:

  • Специальное оборудование производит нагрев воды до оптимальных значений, при которых она испаряется, образуя пар.
  • Получившийся пар поступает дальше, на роторные лопатки паровой турбины, что приводит сам ротор в движение.
  • В результате мы получаем сначала кинетическую энергию, преобразованную из получившейся энергии сжатого пара. Затем кинетическая энергия переходит в механическую, что приводит к началу работы турбинного вала.

Электрический генератор, входящий в конструкцию таких паровых установок, является определяющим. Это объясняется тем, что именно электрогенераторы осуществляют переход механической энергии в электрическую.

Это описание одной установки парового типа. Если требуется выделение большего количества энергии, то используется совокупность нескольких установок, объединенных вместе.

Подобное решение должно приниматься строго индивидуально, в зависимости от типов объекта, а также параметров требуемой мощности энергии. Только при таком грамотном подходе можно избежать убыточности в данном вопросе.

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий