Компрессорный двигатель принцип работы

Механический компрессор на двигатель автомобиля: плюсы и минусы

После появления первых ДВС главной задачей конструкторов и инженеров с самого начала стало повышение производительности силовой установки. Другими словами, основной целью является увеличение мощности двигателя. Как известно, самым простым способом становится решение физически увеличить рабочий объем двигателя и количество цилиндров. Двигатель «засасывает» из атмосферы больше воздуха, в результате можно сжигать больше горючего.

Решить задачу позволяет принудительное нагнетание воздуха в цилиндры под давлением. Для нагнетания воздуха на многих ДВС используется турбонаддув, еще одним решением является компрессор (нагнетатель механический). В этой статье мы рассмотрим, как устроен и работает автомобильный компрессор на двигатель, а также какие плюсы и минусы имеет компрессорный двигатель.

Компрессор на атмосферный двигатель

Начнем с того, что установка компрессора (нагнетателя) во впускной системе двигателя позволяет добиться подачи нужного количества воздуха для сжигания большего количества топлива. Если просто, компрессор-устройство, которое способно создать на выходе давление, которое будет больше атмосферного.

С этой задачей справляются как обычные механические нагнетатели, так и турбокомпрессор. При этом главным отличием турбонагнетателя от компрессора является то, что турбокомпрессор раскручивается за счет выхлопных газов, в то время как механический компрессор приводится от коленвала двигателя.

Как за счет компрессора происходит увеличение мощности двигателя

Атмосферный двигатель внутреннего сгорания осуществляет забор воздуха снаружи в тот момент, когда поршень в цилиндре движется вниз и создается разрежение, в результате чего воздух засасывается в камеру сгорания. Количество поступающего воздуха физически ограничено рабочим объемом, который имеет цилиндр и камера сгорания. После этого воздух смешивается с топливом в определенных пропорциях, после чего заряд (топливно-воздушная смесь) сгорает в цилиндрах.

Если учесть, что объем двигателя не меняется, тогда воздух нужно подавать принудительно под давлением. Это и есть главная задача компрессора. Компрессоры создают давление во впуске, нагнетая воздух в цилиндры. В этом случае остается только впрыснуть больше топлива, после чего такая смесь эффективно горит и отдает энергию поршню. На практике, нагнетатель способен поднять мощность мотора на 35-45%, отмечается около 30% процентов прироста крутящего момента по сравнению с точно таким же атмосферным аналогом.

Механический нагнетатель: устройство компрессора на двигатель автомобиля и принцип работы

Как уже было сказано выше, механические компрессоры приводятся в действие от коленчатого вала. Чаще всего для этого используется приводной ремень. Что касается компрессора, в его основе лежит ротор, который создает давление воздуха.

При этом компрессор должен вращаться быстрее коленвала ДВС. Для этого ведущая шестерня изготавливается большей по размеру, чем шестерни компрессора. Компрессор вращается с частотой около 50 тыс. об/мин., поднимая давление PSI с 6 до 9 до дюймов на квадратный дюйм. С учетом того, что атмосферное давление составляет около 14.7 фунтов на квадратный дюйм, компрессор увеличивает подачу воздуха фактически в половину.

За охлаждение отвечает интеркулер, который бывает воздушным и жидкостным. Интеркулеры представляют собой радиатор, куда попадает горячий сжатый воздух после выхода из компрессора для охлаждения.

Виды механических компрессоров

Механические компрессоры, которые устанавливаются на двигатель внутреннего сгорания:

• роторный компрессор,
• двухвинтовой нагнетатель;
• центробежный компрессор;

Основные отличия заключаются в том, как реализована подача воздуха. Компрессор роторный и двухвинтовой имеют в своем устройстве разные типы кулачковых валов. Центробежный нагнетатель оборудован крыльчаткой, которая затягивает воздух вовнутрь. Также отметим, что в зависимости от размеров и типа нагнетателя напрямую зависит его эффективность.

• Например, роторные компрессоры обычно имеют большие размеры и ставятся сверху на двигатель. В основе лежит большой ротор. При этом данное решение отличается меньшей эффективностью, чем аналоги, так как вес автомобиля сильно увеличивается и создается прерывистый поток воздуха со «всплесками», а не постоянный и стабильный.
• Двухвинтовой компрессор работает по принципу проталкивания воздуха через пару меньших по размеру роторов, похожих на червячную передачу. В результате работы воздух попадает в полости между лопастями роторов. Затем воздух сжимается внутри корпуса роторов.

Эффективность такого решения выше, однако стоимость нагнетателя боле высокая, конструкция сложнее и менее ремонтопригодна. Также двухвинтовой компрессор шумный, необходимо глушить характерный свист выходящего под давлением воздуха при помощи дополнительных решений.

• Если рассматривать центробежный компрессор, это решение отличается от аналогов наличием крыльчатки, которая похожа на ротор. Крыльчатка сильно раскручивается, подавая воздух в корпус компрессора. При этом за крыльчаткой воздух движется с высокой скоростью, но еще находится под низким давлением.

Чтобы поднять давление, воздух проходит через диффузор. Указанный диффузор представляет собой лопатки, расположенные вокруг крыльчатки. В результате поток воздуха после прохождения через диффузор начинает двигаться с малой скоростью, но уже под высоким давлением. Такой компрессор самый эффективный, легкий и небольшой по размерам. Их можно установить перед мотором, а не на двигателе сверху.

Преимущества и недостатки компрессора на двигатель

Итак, начнем с очевидных плюсов. Прежде всего, это увеличение мощности двигателя. Также следует выделить относительную простоту и дешевизну монтажа с минимальными переделками впускной системы по сравнению с установкой турбонаддува. Еще следует выделить отсутствие турбоямы благодаря прямой связи механического нагнетателя с коленвалом.

При этом компрессоры в зависимости от типа могут демонстрировать разную эффективность. Одни дают ощутимый прирост мощности на «низах» (коленвал вращается с небольшой частотой), тогда как другие увеличивают мощность на средних и высоких оборотах. Как правило, роторный компрессор и двухвинтовой рассчитан на низкие обороты, центробежные компрессоры хорошо работают на высоких.

• Теперь перейдем к недостаткам компрессоров. Главным минусом принято считать отбор мощности у двигателя, так как компрессор приводится от коленвала. На практике компрессор забирает до 20% мощности мотора. Получается, общая прибавка до 50% в реальности является фактическим увеличением мощности на 25-30%.

Рекомендуем также прочитать статью о том, как устроен турбонаддув. Из этой статьи вы узнаете об устройстве турбины и принципах работы данного решения, а также какую мощность обеспечивает турбина на двигателе.

Также установка компрессора означает, что двигатель начинает испытывать более высокие нагрузки. Такой мотор должен быть изготовлен с использованием рассчитанных на такие увеличенные нагрузки частей, что позволяет реализовать необходимый запас прочности.

В результате изготовление такого ДВС получается более затратным, автомобиль с компрессором стоит изначально дороже атмосферных версий. Еще нужно учитывать, что компрессор также нуждается в обслуживании, что увеличивает общие расходы на содержание ТС.

Подведем итоги

Как видно, механические нагнетатели являются одним из доступных и экономически обоснованных способов увеличения мощности атмосферного мотора. Как правило, данное решение остается востребованным в различных видах автоспорта, при создании уникальных проектов, во время постройки эксклюзивных спортивных авто и т.д.

Рекомендуем также прочитать статью о том, какой ресурс имеет турбина на примере дизельного двигателя. Из этой статьи вы узнаете о сроке службы турбонагнетателя, а также какие факторы влияют на ресурс данного агрегата.

Производители компрессоров часто предлагают готовые «киты» под ключ, что позволяет быстро установить компрессор на конкретную модель автомобиля с минимальными доработками. Для любителей тюнинга и форсирования двигателя такое решение во многих случаях более оправдано по сравнению с установкой турбонаддува на атмосферный мотор.

Например, успешно реализованная связка компрессор + турбина вполне способна заставить двигатель работать таким образом, когда компрессор обеспечивает нужную тягу «на низах», убирая турболаг (турбояму), затем после раскручивания двигателя подключается турбина. Практической реализацией такой схемы является двигатель Volkswagen 1.4 TSI.

Что такое компрессор? Роль компрессора в работе двигателя автотомобиля

Компрессором называют любое приспособление, которое предназначено для сжатия и подачи воздуха, а также других газов под давлением. Где используется это устройство?

Автомобильные инженеры, создатели гоночных авто и просто любители скорости все время работают над увеличением мощности двигателей. Одним из способов ее увеличения есть строительство мотора большого внутреннего объема, но большие двигатели много весят и кроме того затраты на их производство и содержание очень высоки.

Фото. ProCharger D1SC – центробежный компрессор

Второй способ увеличения интенсивности двигателя – это создание агрегата стандартного размера, но более эффективного в использовании. Более эффективной отдачи можно добиться при нагнетании большего объема воздуха в камеру сгорания, которое позволяет подать в цилиндр больше топлива, а значит достичь большей мощности за счет высокого давления и соответственно сильного выброса газа. Именно компрессор, который также называют нагнетателем, позволяет усилить подачу воздуха и увеличить мощность двигателя.

Кроме компрессора существует еще турбокомпрессор. Отличия между этими двумя устройствами состоят в способе извлечения энергии. Обычный компрессор приводится в действие энергией, которая передается от коленчатого вала мотора через ременный или цепной привод механическим путем. Что касается турбокомпрессора, то она работает благодаря сжатому потоку выхлопных газов, вращающих турбину.

Как работает компрессор

Для того чтобы понять как работает данный механизм, рассмотрим схему работы обычного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. С движением вниз поршня создается разрежение воздуха, который под действием атмосферного давления поступает в камеру сгорания. После поступления воздуха в двигатель он объединяется с топливной смесью и создает заряд, который можно трансформировать в полезную кинетическую энергию в результате горения. Горение создает свеча зажигания. Как только происходит реакция окисления топлива, выбрасывается большой объем энергии. Сила этого взрыва приводит в движение поршень, а сила этого движения поступает на колеса, заставляя их вращаться.

Более плотный поток топливно-воздушной смеси в заряд будет создавать более сильные взрывы. Но стоит понимать, что для сжигания конкретного количества топлива требуется определенное количество кислорода. Правильным считается соотношение: 14 частей воздуха к 1 части атмосферного воздуха. Эта пропорция имеет очень большое значение для эффективной работы силового агрегата автомобиля и выражает собой правило: “для того чтобы сжечь больше топлива нужно подать больше воздуха”.

В этом и состоит работа компрессора. Он сжимает воздух на входе в двигатель, позволяя наполнять двигатель большому его количеству и создавать повышение давления. Вместе с этим в двигатель может поступать большее количество топлива, вызывая увеличение мощности. В среднем компрессор прибавляет 46% мощности и 31% крутящего момента.

Механический нагнетатель запускается с помощью приводного ремня, обернутого вокруг шкива, который подключен к ведущей шестерне. Ведущая шестерня привод в движение шестерню нагнетателя. Ротор компрессора впускает воздух, сжимает его и вбрасывает во впускной коллектор. Скорость вращения компрессора составляет 50 – 60 тысяч оборотов в минуту. В результате нагнетатель увеличивает подачу воздуха в двигатель машины примерно на 50%.

Так как горячий воздух сжимается, он теряет свою плотность и не может сильно расшириться во время взрыва. В этом случае он не может отдать столько же энергии, сколько производится при возгорании свечой зажигания более прохладной топливно-воздушной смеси. Можно сделать вывод, что для того чтобы нагнетатель работал с максимальной отдачей сжатый воздух на выходе из устройства должен быть охлажден. Процессом охлаждения воздуха занимается интеркулер. Горячий воздух охлаждается в трубках интеркулера с помощью холодного воздуха или холодной жидкости, в зависимости от вида механизма. Снижение температуры воздуха, увеличивая его плотность, делает сильнее заряд, который поступает в камеру сгорания.

Виды компрессоров

Компрессоры бывают трех видов: двухвинтовые, роторные и центробежные. Основное отличие между ними состоит в способе подачи воздуха во впускной коллектор автомобильного двигателя.

Двухвинтовой компрессор

Двухвинтовый нагнетатель состоит из двух роторов, внутри которых циркулирует воздух. Эта конструкция создает много шума в виде свиста сжатого воздуха, который приглушают специальными методами шумоизоляции двигателя.

Фото. Двухвинтовой компрессор

Роторный компрессор

Роторный нагнетатель расположен, как правило, в верхней части автомобильного двигателя и состоит из вращающихся кулачковых валов, которые перемещают атмосферный воздух во впускной коллектор. Он имеет большой вес и значительно утяжеляет вес транспортного средства. Кроме того, воздушный поток в данном виде компрессора имеет прерывистую структуру, что делает его наименее эффективным по сравнению с другими видами компрессоров.

Фото. Роторный компрессор

Центробежный компрессор

Центробежный нагнетатель – наиболее эффективен для принудительного повышения давления внутри двигателя машины. Он представляет собой крыльчатку, вращающуюся с огромной силой и нагнетающую воздух в небольшой корпус компрессора. Центробежная сила выталкивает воздух к краю крыльчатки, заставляя его с огромной скоростью покидать ее полость. Маленькие лопатки, расположенные вокруг крыльчатки преобразуют высокоскоростной поток воздуха с низким давлением в низкоскоростной поток с высоким давлением.

Фото. Центробежный компрессор

Достоинства компрессора

Основным достоинством компрессора является, естественно, увеличение мощности двигателя транспортного средства. Эксперты считают механические нагнетатели несколько лучше турбированных, потому что двигатели, оборудованные ими, не имеют задержки реакции в ответ на нажатие водителем педали газа, потому что механические компрессоры приводятся в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя. Турбокомпрессоры в свою очередь подвержены отставанию, так как выхлопные газы набирают скорость нужную для раскручивания турбин лишь после истечения некоторого времени.

Недостатки двигателей

Так как компрессор запускается с помощью коленчатого вала мотора, это немного уменьшает мощность силового агрегата. Компрессор увеличивает нагрузку двигателя, поэтому последний должен быть крепким настолько, чтобы выдерживать сильные взрывы в камере сгорания. Современные автопроизводители учитывают это условие и создают более сильные узлы для моторов, предназначенных для работы в паре с компрессором, что повышает стоимость автомобиля, а также стоимость его технического обслуживания.

В целом нагнетатели – это наиболее эффективный способ добавить двигателю транспортного средства лошадиных сил или мощности другими словами. Компрессор может добавить от 50 до 100% мощности, поэтому его часто устанавливают на свои авто гонщики и приверженцы высокоскоростной езды.

Турбина и компрессор — общее и разное

Турбина и компрессор имеет общее назначение — они предназначены для повышения мощности двигателя. Но принцип работы и особенности их использования отличаются. Ниже рассмотрим, в чем особенности каждого из агрегатов, для чего они предназначены, в чем плюсы и минусы. Отдельно поговорим об особенностях ремонта и выборе производителей современных авто.

1. Назначение турбины и компрессора
2. Принцип работы и устройство турбины
3. Достоинства и недостатки турбины
4. Устройство и принцип работы компрессора
5. Достоинства и недостатки компрессора, ремонт
6. Видео "Чем отличается турбина от турбокомпрессора"

Назначение турбины и компрессора

Двигатель с компрессором или турбиной выдает лучшую динамику, чем обычный атмосферный силовой агрегат. Благодаря действию этих узлов, увеличивается производительность и крутящий момент, что особенно заметно на больших оборотах.

Добиться этого удается путем подачи большего объема воздуха в камеру сгорания (для компрессора) или дополнительно увеличения давления внутри системы впуска (для турбины). Главное отличие устройств состоит в применении разных источников.

К примеру, компрессор — полностью независимое устройство, которое работает от вала двигателя. Это упрощает его обслуживание и ремонт. Турбина же использует энергию выхлопных газов и привязана к силовому агрегату. Она выдает более высокие обороты, но и нагревается активнее.

Принцип работы и устройство турбины

Турбина двигателя представляет собой сложный узел, работающий без остановки и использующий энергию выхлопных газов. Его целью является повышение давления в коллекторе пуска для обеспечения большего поступления воздуха и, соответственно, кислорода в камеру сгорания.
Конструктивно турбина состоит из пары «улиток»:

1. Компрессора. Используется для всасывания воздушного потока и его передачи в коллектор впуска.
2. Горячей части. Сюда проходят выхлопные газы, которые вращают колесо системы и выходят в направлении системы выхлопа.

Также в состав турбины входит две крыльчатки (компрессора и горячей части), картридж шарикоподшипникового типа и кожух, объединяющий в себе все элементы и контур охлаждения.

57.jpg» alt=»Турбина и компрессор» width=»» />

Во время работы турбина принимает большую нагрузку и нагревается. В горячую часть устройства поступает выхлоп с высокой температурой. Во избежание преждевременного разрушения устройства корпус турбины изготавливается с применением чугуна с добавлением специальных элементов.

Турбинный вал может раскручиваться до 200 000 об/мин, поэтому при изготовлении узла предъявляются высокие требования к точности подгонки и качеству смазки. Особое внимание уделяется система охлаждения, которая бывает двух видов:

• Охлаждение маслом. Отличается упрощенной конструкцией и меньшей стоимостью узла. Из минусов — более низкая эффективность, высокие требования к маслу и контролю температуры смазки. При нагреве некачественное масло разрушается, из-за чего элементы узла забиваются, и может потребоваться замена турбины.
• Охлаждение маслом и антифризом. При комплексном подходе обеспечивается большая эффективность охлаждения. Сама конструкция более сложная, что влияет на стоимость.

В некоторых случаях может использоваться две турбины. Такая система называется twin-turbo. Цель системы состоит в дополнительном увеличении объема и давления при подаче воздуха, что необходимо в спортивных соревнованиях. Еще один вариант —biturbo, когда последовательно монтируется две разные турбины для повышения эффективности работы.
В большинстве случаев принцип действия турбины имеет следующий вид:

• Выхлопные газы от коллектора впуска идут к патрубку турбинной части и попадают на крыльчатку.
• Под действием газов крыльчатка вращается и заставляет двигаться компрессор, увеличивающий давление в цилиндре.

Мощность двигателя увеличивается на 25-40 процентов.

Для повышения эффективности турбонаддува может использоваться интеркулер. В его функции входит охлаждение воздуха перед отправкой в коллектор впуска и камеру сгорания. Это обеспечивает подачу большего объема кислорода, ведь в холодном состоянии он занимает меньше места.
Главное отличие турбины бензинового и дизельного двигателя состоит в температуре работы.

Если в дизеле выхлопные газы нагреваются на уровне 800-850 градусов Цельсия, в бензиновых моторах этот параметр почти всегда выше 1000 градусов Цельсия. Следовательно, требования к материалам изготовления также будут различаться. Имеются и конструктивные отличия, поэтому не бензиновые и дизельные моторы ставятся разные виды турбин. Они не взаимозаменяемы.

Достоинства и недостатки турбины

После анализа принципа действия бензиновой и дизельной турбины, стоит подвести итог в вопросе слабых и сильных мест этого устройства.

• Высокая эффективность. Увеличение мощности может достигать 45-50%.
• Раскрутка до 200 000 оборотов, что в 16 крат больше того, что может компрессор.
• Сохранение лошадиных сил автомобиля.
• Улучшенные тяговые усилия на низких оборотах.
• Компактные размеры.
• Экологичность работы.

• Применение моторного масла для смазки. Это значит, что частота его замены увеличивается где-то на треть.
• Небольшой срок службы. В среднем турбина двигателя служит не больше 150 000 км.
• Высокая стоимость обслуживания. Ремонт турбины почти всегда обходится в крупную сумму.
• Особенности эксплуатации. Турбина требует выделения некоторого времени для остывания.
• Увеличение расхода масла. В среднем на 10 000 км расходуется один литр масла.
• Сложность настройки и установки. Для выполнения работ всегда необходимо привлекать специалиста.
• Привязка к двигателю. Если мотор выдает небольшое количество оборотов, турбина бесполезна. Только при активной раскрутке коленвала повышается эффективность устройства.

Ремонт турбины двигателя может потребоваться при загрязнении смазки двигателя из-за несвоевременной эксплуатации, недостаточном количестве масла или износом под действием посторонних элементов. Кроме того, устройство быстрей выходит из строя при эксплуатации в экстремальных условиях и использовании герметика вместо резинки для улучшения качества соединения.

Распознать поломку турбины можно по следующим признакам:

• нехарактерные звуки;
• серый, белый или черный дым из выхлопной трубы;
• ухудшение динамики разгона;
• уменьшение тяги мотора.

Ремонт турбины важно проводить только у профессионалов. Это обусловлено следующими особенностями:

• Любая неправильная натяжка болтовых соединений ведет к неправильной работе или повреждению.
• В конструкции есть множество мелких деталей, которые нужно смазывать и чистить.
• Обязательна балансировка всех крутящихся узлов. Для этого применяется специальная и дорогостоящая аппаратура.
• Люфт ротора должен строго соответствовать заводским требованиям.

Для продления срока службы турбины важно регулярно проводить ТО двигателя, своевременно менять масло, защищать систему от попадания посторонних элементов. Кроме того, важно использовать только качественные комплектующие и давать двигателю нагреться перед началом движения.

Устройство и принцип работы компрессора

Автомобильный компрессор представляет собой механический нагнетатель, необходимый для подачи в камеру сгорания воздуха в большем объеме и с увеличенным давлением. Это отдельный узел, работающий от коленчатого вала и получающий крутящий момент через ремень или цепь.
Компрессоры бывают трех типов:

1. Роторные. Внутри расположены кулачковые валы, которые и обеспечивают дополнительную подачу воздуха. Это наиболее старая конструкция, которая была создана еще в 1860-м, а в 1900-м впервые установлена на машину. Такой вид компрессора редко применяется из-за больших размеров и веса. Кроме того, поток воздуха имеет прерывистый характер, что приводит к колебаниям (провалам) мощности.
2. Двухвинтовые. Конструктивно состоят из двух лопастных роторов, отличающихся большей эффективностью. Они работают на таком же принципе, как и роторные, но сжатие воздуха происходит внутри устройства. Как результат, при работе не возникает провалов мощности.
3. Центробежные. Внутри находится крыльчатка. Такие турбины отличаются наибольшей эффективностью и позволяют добиться большей мощности. Крыльчатка внутри раскручивается до 60 000 оборотов в минуту, что обеспечивает высокую центробежную силу. Такие устройства компактны, что позволяет устанавливать их на авто с малолитражными моторами.

Принцип работы построен на захвате воздуха компрессором, его сжатии в ограниченном пространстве и сбросе в коллектор впуска.

Достоинства и недостатки компрессора, ремонт

Многие производители принимают решение поставить компрессор двигателя вместо турбины. Это обусловлено следующими преимуществами:

• Больший срок службы и повышенная прочность.
• Увеличение производительности на 10-15%.
• Неприхотливость в обслуживании.
• Способность работать продолжительное время без риска поломки.
• Независимость от двигателя. Это отдельное устройство, которое раскручивается от коленчатого вала, а не отработавших газов.
• Отсутствие скачков мощности.
• Не требовательность к оборотам мотора.
• Легкость установки своими руками.
• Отсутствие проблем с «поеданием» моторного масла.
• Более низкая цена.
• Приведение в действие сразу после запуска двигателя.
• Фиксированная мощность.

• Дает меньшую эффективность, чем турбина.
• Ограничение оборотов — до 10 000-12 000.
• Потребление до 20% от мощности мотора.
• Некоторые варианты компрессоров уже не производятся.
• Расходование большего количества горючего.

Необходимость ремонта компрессора возникает в более редких случаях, ведь они отличаются более простой конструкцией и реже ломаются. Проблему можно распознать по снижению мощности мотора, ухудшению динамики и появлению постороннего шума. Как результат, может потребоваться замена узла или натяжение ремня коленвала, который приводит во вращение компрессор.

В наиболее сложных случаях необходима установка нового устройства.Осмотр механического нагнетателя рекомендуется проводить раз в 10 000 км. Для выполнения работы нужны специальные знания и опыт, а весь процесс занимает не более нескольких минут.

Турбина или компрессор, тенденции автопрома

Несмотря на ряд недостатков, популярность у производителей получила именно турбина. Ее установка не влияет на потерю лошадиных сил, она монтируется напрямую в двигатель и позволяет разогнать автомобиль до большей скорости. Прибавка в мощности силового агрегата также более внушительна. Конечно, установка турбины влияет на стоимость автомобиля и требует более ответственного подхода в обслуживании, но покупатели готовы платить за дополнительную мощность.

Вариант с компрессором часто применяется в спорте, где главный упор делается на надежность, простоту эксплуатации и ресурс. В отличие от турбины здесь нет зависимости от оборотов, а устройство сразу повышает мощность при нажатии на педаль газа. Здесь нет запаздывания, как в случае с турбиной, что очень важно при соревнованиях на небольшие дистанции. Но прибавка мощности менее значительная, что часто вынуждает отдать предпочтение в пользу турбины.

Многие производители не стали выбирать и используют сразу два устройства. Такой вариант несложно распознать по обозначению TSI на двигателе. Это означает, что здесь применяется комплексный турбонаддув двигателя — с помощью турбинного и механического нагнетателей.

Итоги

С учетом сказанного ясно, что задачи турбины и компрессора идентичны— увеличение мощности и динамики двигателя. Но они имеют разную конструкцию, индивидуальный принцип действия, а также свои плюсы и минусы. Турбокомпрессор позволяет добиться большей мощности, но он дорогой и требует профессионализма при эксплуатации.

Механический нагнетатель, наоборот, отличается более простой конструкцией и возможностью самостоятельного обслуживания, но дает меньшую прибавку. Не удивительно, что многие производители не стали выбирать, а задействовали сразу две системы одновременно.

Авиационные газотурбинные двигатели

Всем привет! В этой статье я хочу рассказать о том, как работают авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Я постараюсь сделать это наиболее простым и понятным языком.

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

• турбореактивные двигатели (ТРД)
• двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)
• Турбовинтовые двигатели (ТВД)
• Турбовальные двигатели (ТВаД)

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели

Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.

Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

• Входное устройство
• Компрессор
• Камеру сгорания
• Турбину
• Реактивное сопло (далее просто сопло)

А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем.

Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.

Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.

Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

ТРДД, прежде всего, отличается от ТРД тем, что имеет два контура: внешний и внутренний. Внутренний контур содержит в себе то же самое, что и ТРД: компрессор (разделенный на КНД и КВД), камеру сгорания, турбину (разделенную на ТВД и ТНД) и сопло. Внешний контур представляет собой канал, с соплом в конце. В нем нет ни камеры сгорания, ни турбины. Перед обоими контурами (сразу после входного устройства двигателя) стоит ступень компрессора, работающая на оба контура.

Не очень понятная картина выходит, да? Давайте разберемся как оно работает.

Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

Воздух, попадающий в двигатель, пройдя через первую ступень компрессора низкого давления, разбивается на два потока. Одна часть воздуха идет по внутреннему контуру, где происходят те же процессы, которые были описаны, когда мы разбирали ТРД. Вторая часть воздуха попадает во внешний контур, получив энергию от первой ступени КНД (та, которая работает на два контура). Во внешнем контуре энергия воздуха тратится только на преодоление гидравлических потерь (за счёт трения). В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура, создавая огромную тягу. Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя.

Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть как больше, так и меньше единицы. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором.

ТРДД самолета Boeing 757-200. На переднем плане видно входное устройство и вентилятор

На некоторых двигателях вентилятор приводится в движение отдельной турбиной, которая ставится ближе всего к соплу внутреннего контура. Тогда двигатель получается трехвальным. Например, по такой схеме выполнены двигатели Rolls Royce RB211 (устанавливались на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42)

Д-18Т в разрезе изнутри

Главное достоинство ТРДД заключается в возможности создания большой тяги и хорошей экономичности, по сравнению с ТРД.

На этом я хотел бы закончить про ТРДД и перейти к следующему виду двигателей — ТВД.

Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. И работает он почти как турбореактивный. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. К ним добавляются редуктор и винт.

Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Винт создаёт основную долю тяги. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. И винт достаточно тяжелый.

Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.
Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. Такая турбина называется свободной. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.

Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны.
Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.

На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать. Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя.

Турбовальный двигатель

Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.

Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.

Схематичная конструкция турбовального двигателя

Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8. Справа видны выхлопная труба и приводной вал

Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.

Теория газотурбинных двигателей

Книга может оказаться полезной при изучении принципа работы, конструкции и эксплуатации газотурбинных авиационных двигателей.

Оглавление

• Входные устройства
• Компрессор

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Теория газотурбинных двигателей предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Теория ступени компрессора ГТД

Компрессор газотурбинного двигателя служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.

Применение компрессора в ГТД позволяет получить нужный расход воздуха, обеспечить желаемое значение КПД, получить высокую тягу (мощность) при небольших габаритных размерах и массе двигателя.

Компрессор ГТД должен удовлетворять следующим требованиям:

а) сжатие воздуха должно происходить при возможно большем КПД;

б) обеспечивается устойчивая работа двигателя во всем диапазоне эксплуатационных режимов;

в) подвод воздуха в камеру сгорания производится без пульсаций давления, расхода и скорости потока;

г) обеспечение наименьшего веса и габаритов двигателя;

д) обеспечивается высокую надежность авиадвигателя.

Основными типами компрессоров авиационных ГТД являются многоступенчатые осевые [1] или осецентробежные компрессоры.

Процесс сжатия воздуха в многоступенчатом компрессоре ГТД состоит из ряда последовательно протекающих процессов сжатия воздуха в отдельных его ступенях.

В современных газотурбинных двигателях наиболее часто используются осевые компрессоры, как наиболее полно отвечающие предъявляемым требованиям. В осевых компрессорах авиадвигателя по сравнению с другими типами компрессоров возможны высокие значения степени повышения давления воздуха и большие расходы воздуха при высоких КПД и сравнительно малых габаритных размерах и массе.

Осевой компрессор ГТД имеет несколько рядов лопаток, насаженных на один общий вращающийся барабан или на ряд соединенных между собой дисков, которые образуют ротор компрессора.

Один ряд лопаток ротора называется рабочим колесом.

Другой основной частью компрессора является статор, состоящий из нескольких рядов лопаток (направляющих аппаратов), закрепленных в корпусе. Назначением лопаток статора является:

а) направление проходящего через них воздушного потока под необходимым углом на рабочие лопатки расположенного за ними рабочего колеса;

б) спрямление потока, закрученного лопатками впереди находящегося рабочего колеса, с одновременным преобразованием части кинетической энергии закрученного потока в работу по повышению давления воздуха.

Сочетание одного рабочего колеса и одного стоящего за ним направляющего аппарата называется ступенью компрессора.

Перед первым рабочим колесом компрессора может быть установлен входной направляющий аппарат.

При вращении рабочего колеса за счет внешней энергии повышается скорость потока, при этом на входе рабочего колеса создается разрежение, обеспечивающее непрерывное поступление воздуха. Внешняя энергия, сообщенная лопатками рабочего колеса воздуху, движущемуся по расширяющимся (диффузорным) каналам, затрачивается на повышение давления воздуха, а также на увеличение его скорости.

Преобразование кинетической энергии воздушного потока, приобретенной в рабочем колесе, сопровождающееся повышением давления воздуха, происходит в направляющем аппарате, который, кроме того, обеспечивает потоку требуемое направление для входа в рабочее колесо следующей ступени компрессора.

Разрез лопаток ступени компрессора цилиндрической поверхностью образует решетку профилей рабочего колеса.

На входе в рабочее колесо скорость воздуха может быть направлена не параллельно оси колеса, а под некоторым углом к ней вследствие неполного спрямления потока направляющим аппаратом предыдущей ступени компрессора или установки перед рабочим колесом входного направляющего аппарата. Вращению рабочего колеса соответствует перемещение решетки с окружной скоростью «u». Для определения скорости воздуха относительно рабочих лопаток «w» применим правило сложения векторов скоростей, согласно которому абсолютная скорость равна относительной и переносной. Переносной скоростью будет окружная скорость лопаток, следовательно, c = w + u.

Треугольник, составленный из векторов «c», «u» и «w», является треугольником скоростей на входе в рабочее колесо.

Лопатки рабочего колеса должны быть установлены таким образом, чтобы передние кромки их были направлены по направлению вектора «w» или под небольшим углом к нему. Кривизна профилей лопаток выбирается с таким расчетом, чтобы угол выхода потока из колеса был больше угла входа потока.

Направление потока за решеткой при безотрывном ее обтекании определяется в углом установки задней кромки лопатки.

Разворот потока воздуха в рабочем колесе компрессора приводит к возникновению на каждой лопатке аэродинамической силы «P» направленной от вогнутой к выпуклой поверхности профиля. Можно разложить силу «P» на две составляющие. Составляющую, направленную параллельно вектору окружной скорости, назовем окружной, а составляющую, направленную параллельно оси компрессора — осевой составляющей. Окружная составляющая направлена против движения лопаток колеса и противодействует их вращению. Для поддержания частоты вращения ротора к валу компрессора должен быть приложен крутящий момент. Работа, затрачиваемая на вращение колеса идет на увеличение энергии потока, прошедшего через колесо. Это проявляется в том, что обычно скорость потока за колесом оказывается больше скорости потока перед колесом, несмотря на одновременное увеличение давления.

Абсолютная скорость «с» на выходе из рабочего колеса определится построением треугольника скоростей. Вследствие поворота потока в колесе вектор абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса оказывается отклоненным от вектора абсолютной скорости на входе в сторону вращения колеса.

Лопатки направляющего аппарата отклоняют поток в обратную сторону. Форма лопаток подбирается так, чтобы направление вектора абсолютной скорости за ступенью соответствовало направлению вектора абсолютной скорости на входе в рабочее колесо. При этом, увеличивается поперечное сечение струи, проходящей через канал между соседними лопатками. В результате скорость потока в направляющем аппарате падает, а давление увеличивается.

Независимо от скорости набегающего на лопатки воздуха и формы проточной части, течение потока через ступень может рассматриваться как течение через систему диффузорных каналов с уменьшением относительной скорости потока в рабочем колесе, уменьшением абсолютной скорости потока в направляющем аппарате и увеличением давления в обоих случаях.

Основными элементами центробежной компрессорной ступени являются рабочее колесо и диффузор, а характерными сечениями воздушного тракта — сечение перед рабочим колесом, сечение за рабочим колесом и сечение на выходе из диффузора. За диффузором могут быть установлены выходной канал или выходные патрубки, обеспечивающие поворот выходящего из диффузора потока в нужную сторону.

Рабочее колесо центробежного компрессора обычно представляет собой диск, на торцевой поверхности которого расположены рабочие лопатки.

В центробежной ступени можно получить значительно большее повышение давления воздуха, чем в осевой ступени, благодаря центробежным силам направленным по движению воздушного потока в рабочем колесе. Но в то же время (в отличие от осевой ступени) ее диаметр намного превышает диаметр рабочего колеса осевого компрессора.

Недостатки центробежной ступени могут быть в значительной степени смягчены в диагональной ступени. По своим параметрам она занимает промежуточное положение между осевой и центробежной ступенью компрессора. Сжатие воздуха в ее рабочем колесе происходит как вследствие уменьшения относительной скорости воздуха в межлопаточных каналах, так и в результате работы центробежных сил, совершаемой при перемещении воздушного потока в колесе от центра к периферии. Меньшее отклонение основного направления течения воздуха от осевого позволяет уменьшить диаметральные габаритные размеры ступени.

Степенью повышения давления ступени компрессора называется отношение давления за ступенью к давлению на входе в рабочее колесо.

В осевых ступенях степень повышения давления обычно невелика и равняется 1,2…1,35. В центробежных ступенях степень повышения давления может достигать 4—6 и более.

С целью увеличения общей степени повышения давления применяют многоступенчатые компрессоры, в каждой ступени которых осуществляется повышение давления воздуха.

Адиабатический КПД ступени компрессора представляет собой отношение адиабатической работы повышения давления воздуха в ступени к затраченной работе Адиабатический КПД ступени осевого компрессора обычно равен 0,83—0,87, что свидетельствует об их высоком аэродинамическом совершенстве. Центробежные ступени имеют несколько меньшее значение адиабатического КПД — 0,75—0,80.

Расход воздуха через компрессор пропорционален плотности воздуха, скорости потока и площади проходного сечения.

Окружная скорость воздушного потока является важнейшим конструктивным параметром ступени компрессора двигателя, она ограничивается прочностью лопаток и диска рабочего колеса и газодинамическими соображениями.

По уровню скорости набегающего на лопатки воздуха осевые ступени разделяются на дозвуковые, сверхзвуковые и трансзвуковые (околозвуковые), в которых окружная или осевая скорости изменяются по радиусу изменяются по радиусу от сверхзвуковой до дозвуковой.

В реальных ступенях компрессора между лопатками рабочего колеса и внутренней поверхностью статора всегда имеется конструктивный зазор [3]. При этом зазор на работающем двигателе отличается от монтажного зазора вследствие деформаций деталей ротора и статора под действием газовых сил и теплового расширения. Обычно у прогретого двигателя рабочие зазоры оказываются меньше монтажных.

Перетекание (утечка) воздуха через радиальные зазоры приводит к понижению давления на вогнутой стороне лопатки и к повышению давления на спинке, т. е. к уменьшению разности давлений на поверхностях профиля. Уменьшение перепада давлений приводит к снижению окружного усилия и, следовательно, к снижению работы, передаваемой воздуху в ступени.

На работу ступени оказывают влияние и осевые зазоры между ее неподвижными и вращающимися венцами. Осевые зазоры между лопатками рабочего колеса и направляющего аппарата составляют примерно 15—20% хорды лопаток и также снижают эффективность работы ступени.

Основные параметры многоступенчатого компрессора

В теории газотурбинных двигателей обычно используются следующие параметры многоступенчатого компрессора:

а) степень повышения давления (отношение полного давления воздуха за компрессором к полному давлению перед компрессором);

б) секундный расход воздуха через компрессор;

в) частота вращения pотоpа компрессора;

г) адиабатический КПД компрессора.

Степень повышения давления в компрессоре ГТД равна произведению степеней повышения давления его отдельных ступеней.

В компрессорах современных авиадвигателей степень повышения давления компрессора доходит до 30 и более. Такие высокие степени повышения давления применяют для улучшения экономичности двигателя.

Дело в том, что в газотурбинных двигателях 70% тепла, введенного с топливом в двигатель, теряется с уходящими газами. Эти потери обусловлены вторым законом термодинамики (в двигатель засасывается холодный воздух, а выходит горячий).

При увеличении степени повышения давления в компрессоре соответственно увеличивается и степень понижения давления на тракте расширения газа в двигателе (во сколько раз воздух сжимается — во столько же раз газы расширяются). А чем больше степень понижения давления, тем ниже (при заданной температуре газа перед турбиной) температура уходящих газов и, следовательно, тем меньше потери тепла с уходящими газами.

Иначе говоря, с увеличением степени повышения давления воздуха степень полезного использования введенного в двигатель тепла увеличивается.

Ступени компрессора работают в разных условиях: они имеют разные окружные и осевые скорости, их лопатки обтекаются потоком с разными скоростями и т. д. Поэтому адиабатические работы сжатия воздуха в различных ступенях одного и того же компрессора могут существенно отличаться друг от друга.

В первых и в меньшей степени в последних ступенях работа заметно снижена по сравнению с работой приходящейся на каждую из средних ступеней.