Паровая турбина: принцип работы 3 разновидностей агрегата

Паровая турбина: принцип работы 3 разновидностей агрегата

Паровая турбина приносит в наши дома свет и тепло Паровая турбина – это тепловой двигатель, который преобразует тепловую энергию из пара в энергию механическую вращения вала. Посредством паропровода нагретый свежий пар, поступая из котла, подходит к паровой турбине, после чего значительная часть высвобожденной тепловой энергии превращается в механическую работу.

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.

Как сделать паровую турбину в домашних условиях?

Множество интернет-ресурсов публикует алгоритм, согласно которому в домашних условиях и с применением небольшого количества инструментов изготавливается мини паровая турбина из консервной банки. Помимо самой банки понадобится алюминиевая проволока, небольшой кусочек жести для вырезания полоски и крыльчатки, а также элементы крепежа.

В крышке банки делают 2 отверстия и впаивают в одно кусочек трубки. Из куска жести вырезают крыльчатку турбины, прикрепляют ее к полосе, согнутой в виде буквы П. Затем полосу прикручивают ко второму отверстию, расположив крыльчатку таким образом, чтобы лопасти находились напротив трубки. Все технологические отверстия, сделанные во время работы, тоже запаивают. Изделие нужно установить на подставку из проволоки, заполнить водой из шприца, а снизу разжечь сухое горючее. Импровизированный ротор паровой турбины начнет вращаться от струи пара, вырывающегося из трубки.

Понятно, что такая конструкция может служить лишь прототипом, игрушкой, поскольку данная паровая турбина, сделанная своими руками, не может использоваться с какой-то целью. Слишком мала мощность, а о каком-то КПД и речи не идет. Разве что можно показывать на ее примере принцип действия теплового двигателя.

Мини-генератор электроэнергии можно реально изготовить из старого металлического чайника. Для этого, кроме самого чайника, потребуется медная или нержавеющая трубка с тонкими стенками, кулер от компьютера и небольшой кусочек листового алюминия. Из последнего вырезается круглая крыльчатка с лопатками, из которой будет сделана паровая турбина малой мощности.

С кулера снимается электродвигатель и устанавливается на одной оси с крыльчаткой. Получившееся устройство монтируется в круглом корпусе из алюминия, по размерам он должен подойти вместо крышки чайника. В днище последнего делается отверстие, куда впаивается трубка, а снаружи из нее выполняется змеевик. Как видите, конструкция паровой турбины очень близка к реальности, поскольку змеевик играет роль пароперегревателя. Второй конец трубки, как нетрудно догадаться, подводится к импровизированным лопаткам крыльчатки.

Примечание. Самая сложная и трудоемкая часть устройства – это как раз змеевик. Изготовить его из медной трубки легче, чем из нержавейки, но она долго не прослужит. От контакта с открытым огнем медный перегреватель быстро прогорит, поэтому лучше сделать его своими руками из нержавеющей трубки.

Как установить турбонагнетатель

Сначала перечислим всё, что потребуется для работы.

Инструменты и расходные материалы

  1. Комплект накидных ключей.
  2. Комплект рожковых ключей.
  3. Комплект хомутов для воздушных патрубков.
  4. Отвёртка плоская.
  5. Турбокомпрессор.
  6. Отрезок тонкой проволоки диаметром 2 мм.
  7. Ёмкость с турбинным маслом.
  8. Ёмкость с керосином.
  9. Ветошь.

Последовательность операций при установке турбонаддува

  • открывается капот автомобиля, снимается карбюратор и воздушный фильтр;

Воздушный фильтр автомобиля откручивается и снимается

Воздушные патрубки машины снимаются и очищаются керосином

Трубки воздушных каналов двигателя очищаются проволокой

Турбокомпрессор устанавливается на систему подачи воздуха

Патрубки входной и выхлопной систем фиксируются хомутами

Масло в турбокомпрессор заливается с помощью воронки

Видео: монтаж турбонаддува на ВАЗ 2109

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

  • твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
  • полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
  • по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
  • сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
  • вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего выpaбатывается электроэнергия;
  • отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.

Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее прострaнcтво блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Читайте также  Правильный дымоход для буржуйки

Подробно о назначении

Данный электрогенератор используется в областях, где есть возможность преобразовывать избыточное количество образующегося пара в электрическую энергию. В частности, системы такого рода широко применяются в котельных установках. В совокупности с турбиной и отопительных котлом генератор представляет собой некое подобие мини-ТЭС.

Техника такого рода позволяет удешевить процесс получения электроэнергии, благодаря чему она используется в качестве одного из основных узлов на электростанциях.

Зная принцип, на основании которого функционирует паровой генератор, можно попытаться реализовать его собственными силами, используя электрогенератор и бойлер для подогрева воды.

Как работает паровая турбина?

В сущности, паровые турбины являются составной частью сложной системы, призванной преобразовать энергию топлива в электричество, иногда – в тепло.

На данный момент этот способ считается экономически выгодным. Технологически это происходит следующим образом:

  • твердое или жидкое топливо сжигается в паровой котельной установке. В результате рабочее тело (вода) обращается в пар;
  • полученный пар дополнительно перегревается и достигает температуры 435 ºС при давлении 3.43 МПа. Это необходимо для того, чтобы добиться максимального КПД работы всей системы;
  • по трубопроводам рабочее тело доставляется к турбине, где равномерно распределяется по соплам с помощью специальных агрегатов;
  • сопла подают острый пар на изогнутые лопатки, закрепленные на валу, и заставляет его вращаться. Таким образом, кинетическая энергия расширяющегося пара переходит в механическое движение, это и есть принцип действия паровой турбины;
  • вал генератора, представляющего собой «электродвигатель наоборот», вращается ротором турбины, в результате чего вырабатывается электроэнергия;
  • отработанный пар попадает в конденсатор, где от соприкосновения с охлажденной водой в теплообменнике переходит в жидкое состояние и насосом снова подается в котел на прогрев.

Примечание. В лучшем случае КПД паровой турбины достигает 60%, а всей системы – не более 47%. Значительная часть энергии топлива уходит с теплопотерями и расходуется на преодоления силы трения при вращении валов.

Ниже на функциональной схеме показан принцип работы паровой турбины совместно с котельной установкой, электрическим генератором и прочими элементами системы:

Чтобы не допускать снижения эффективности работы, на валу ротора располагается максимальное расчетное число лопаток. При этом между ними и корпусом статора обеспечивается наименьший зазор посредством специальных уплотнений. Простыми словами, чтобы пар «не крутился вхолостую» внутри корпуса, все зазоры минимизируются. Лопатка сконструирована таким образом, чтобы расширение пара продолжалось не только на выходе из сопла, но и в ее углублении. Как это происходит, отражает рабочая схема паровой турбины:

Следует отметить, что рабочее тело, чье давление после попадания на лопатки снижается, после рабочего цикла в первом блоке не сразу попадает в конденсатор. Ведь оно еще располагает достаточным запасом тепловой энергии, а потому по трубопроводам пар отправляется во второй блок низкого давления, где снова воздействует на вал посредством лопаток другой конструкции. Как показано на рисунке, устройство паровой турбины может предусматривать несколько таких блоков:

1 – подача перегретого пара; 2 – рабочее пространство блока; 3 – ротор с лопатками; 4 – вал; 5 – выход отработанного пара в конденсатор.

Для справки. Скорость вращения ротора генератора может достигать 30 000 об/мин, а мощность паровой турбины – до 1500 МВт.

Основные неисправности и их причины

Как показывает практика эксплуатации, всего можно выделить две основные причины поломок – некачественное или несвоевременное ТО.

Если же по плану производить технический осмотр, то турбина будет работать долго и без особых нареканий со стороны автолюбителей.

Итак, на сегодня можно выделить несколько основных признаков и причин выхода из строя турбины:

  • 1. Появление синего дыма из выхлопной трубы в момент повышения оборотов и его отсутствие при достижении нормы. Основная причина такой неисправности – попадание масла в камеру сгорания из-за течи в турбине.

  • 2. Черный дым из выхлопной трубы — свидетельствует о сгорании топливной смеси в интеркулере или нагнетающей магистрали. Вероятная причина – повреждение или поломка системы управления ТКР (турбокомпрессора).

  • 3. Дым из выхлопной трубы белого цвета свидетельствует о забитости сливного маслопровода турбины. В такой ситуации может спасти только чистка.

  • 4. Чрезмерный расход масла до одного литра на тысячу километров. В этом случае нужно обратить внимание на турбину и наличие течи. Кроме этого, желательно осмотреть стыки патрубков.

  • 5. Динамика разгона «притупляется». Это явный симптом нехватки воздуха в двигателе. Причина – нарушение работы или поломка системы управления ТКР (турбокомпрессор).
  • 6. Появление свиста на работающем двигателе. Вероятная причина – утечка воздуха между мотором и турбиной.
  • 7. Странный скрежет при работе турбины часто свидетельствуют о появлении трещины или деформации в корпусе узла. В большинстве случаев при таких симптомах ТКР долго не «живет» и дальнейший ремонт турбины может оказаться неэффективным.

  • 8. Повышенный шум в работе турбины может стать причиной засорения маслопровода, изменение зазоров ротора и задевание последнего о корпус турбокомпрессора.
  • 9. Увеличение токсичности выхлопных газов или расхода топлива часто говорит о проблемах с поставкой воздуха к ТКР (турбокомпрессору).

Читайте про другие причины дыма из выхлопной трубы.

Основные признаки неисправности турбины

Иногда турбина ломается при попадании посторонних твердых частиц в колесо компрессора или при постоянном недостатке масла. Но эти случаи скорее исключения из правил. Обычно турбина выходит из строя постепенно. Определить, что турбокомпрессор стал работать некорректно, можно по нескольким признакам:

  • Цвет выхлопных газов. При неисправности они приобретают черный, белый или сине-сизый цвет.
  • Потеря мощности и динамики. Автомобиль начинает плохо разгоняться или двигаться рывками при плавном наборе скорости. При подъеме двигателю не хватает тяги, и он начинает «захлебываться».
  • Посторонние звуки. При работе двигателя слышны свист, скрежет, отчетливые хлопки, глухой гул или любой другой шум.
  • Высокая температура двигателя при любом режиме работы.
  • Повышенный расход топлива и/или масла.
  • Подтеки масла на турбине. Они сопровождаются характерным запахом.

При обнаружении признаков неисправности турбины лучше временно прекратить использовать автомобиль. Дальнейшая эксплуатация может привести к полному выходу агрегата из строя. В этом случае выполнить ремонт турбины на дизеле или бензине своими руками будет почти невозможно. Лучше сразу попытаться установить причину поломки и определить дальнейший план действий: чинить самостоятельно или отдать в сервис.

Причины поломки турбокомпрессора

Диагностика состояния турбины может проводиться в двух направлениях: обнаружение видимых причин и поиск тех, что скрыты от глаз. К источникам поломки, которые можно выявить визуально, относятся:

  • Засорение сливного маслопровода. В этом случае отработанные газы окрашиваются в белый цвет.
  • Разгерметизация турбины. Часть масла при этом попадает в камеру сгорания двигателя, окрашивая выхлоп в сине-сизый цвет.
  • Проблемы с воздушной магистралью. Может быть засорен воздушный фильтр или канал подачи воздуха в турбокомпрессор. Иногда происходит разгерметизация соединений между турбиной и воздушным фильтром. В этом случае повышается расход топлива, а выхлопные газы приобретают черный цвет.
  • Разгерметизация патрубков. Это может увеличить расход масла — появляются характерный запах и подтеки.
  • Механические повреждения. В этом случае может измениться геометрия лопастей рабочего колеса, появляются трещины в корпусе, изменяется зазор роторной части. Обо всем этом будут свидетельствовать посторонние звуки при работе турбокомпрессора.
Читайте также  Схема котла длительного горения

Однако простой осмотр турбины, даже после ее демонтажа, может ничего не выявить или дать не полную картину, поскольку часть неисправностей не связана с внешней поломкой. Скрытые причины выхода из строя турбокомпрессора могут относиться к неполадкам электронных систем автомобиля:

  • системы управления двигателем (ECU и ECCS);
  • системы рециркуляции отработавших газов (EGR);
  • к неисправности датчиков.

Если видимые причины можно обнаружить без специальной техники (частично — на установленном турбокомпрессоре, а частично — после демонтажа и разборки), то скрытые выявляются посредством компьютерной диагностики всех систем автомобиля на диагностическом стенде и балансировочном станке. Во втором случае без соответствующего оборудования не обойтись — ремонт турбины своими руками осуществить не получится.

Самостоятельный ремонт турбины vs заводской

Ранее уже упоминалось, что ремонт турбины в гаражных условиях обычно подразумевает только некоторые профилактические работы. Например, очистку всех узлов и замену расходников на новые из ремкомплекта. Однако даже в этом случае потребуются специальные химические средства, моющая машина высокого давления, ультразвуковая ванна и пескоструйная камера. Кроме того, после чистки роторной части (картриджа) и перед сборкой турбины необходима ее балансировка на специальном станке, чтобы убедиться, что ось компрессора не имеет искривлений. Ротор вращается с большой скоростью, и если пропустить этот этап, то уже через несколько тысяч километров потребуется замена: из строя выйдет либо колесо компрессора, либо колесо самой турбины.

Собранный турбокомпрессор перед установкой должен быть протестирован на специализированном стенде при рабочих температурах и оборотах. То есть нужно воссоздать такие условия, как если бы турбина находилась на своем штатном месте. Эта операция позволяет восстановить все характеристики агрегата, указанные в техническом паспорте. При ремонте турбины дизельного или бензинового двигателя своими руками добиться такого результата невозможно физически.

После данного теста необходима электронная и механическая диагностика регулировочного клапана (актуатора), который еще называют вестгейтом. Он уменьшает избыточное давление газов, тем самым защищая турбокомпрессор от работы на максимально высоких оборотах. Регулировку актуатора можно выполнить своими руками, если речь идет об агрегате без электронной «начинки». Но в большинстве современных автомобилей вестгейт управляется контроллерами, которые невозможно настроить и запрограммировать в гаражных условиях.

Полноценный ремонт турбины с соблюдением всех правил выполнить самостоятельно невозможно. Даже если автолюбитель имеет представление о принципах и механизме работы турбокомпрессора, может его демонтировать, заменить расходные детали и смонтировать обратно, — этого будет недостаточно. Для точной настройки и калибровки турбины потребуются специальные стенды и балансировочные станки, которыми располагают даже не все профессиональные мастерские. Кроме того, в гаражных условиях можно выявить не все причины поломки турбокомпрессора.

Где могут провести диагностику и ремонт турбокомпрессора

Если владелец автомобиля принимает решение не рисковать и не проводить ремонт турбины самому, а доверить это специалистам, ему остается только понять, в какой именно сервис обратиться. Прежде всего нужно убедиться, что мастерская занимается ремонтом турбокомпрессоров — такую услугу предоставляют не везде. Более подробно о том, где лучше проводить ремонт турбины, мы попросили рассказать Игоря Николаевича Снеткова, генерального директора компании «Ремонт турбин 24» :

«Если с поломкой турбины обратиться в ближайшее гаражное СТО, то там в лучшем случае демонтируют турбокомпрессор, а затем отправят его в специализированную ремонтную организацию. В худшем — заменят износившиеся детали и установят турбину обратно без настройки и выяснения истинной причины неисправности.

Если же воспользоваться услугами узкоспециализированной организации, работники которой сами занимаются ремонтом турбин, подобных проблем можно избежать. Главное — убедиться, что выбранная вами компания действительно располагает нужным оборудованием: стендами для настройки и калибровочными станками. Без них полноценный ремонт произвести невозможно. Стоит также уточнить, дает ли мастерская гарантию на свою работу и на каких условиях — гарантия должна быть минимум на год.

В своем техническом центре мы предоставляем услуги по ремонту турбин полного цикла. Помимо замены изношенных деталей, проводим полную диагностику впускной и выпускной систем автомобиля, чтобы обнаружить причину выхода турбокомпрессора из строя. Особое внимание мы уделяем воздушной системе и системе подачи масла: все соединения и патрубки проверяются на герметичность, промываются от нагара и сажи.

Благодаря современным диагностическим стендам и калибровочным столам в компании «Ремонт турбин 24» осуществляют тонкую настройку турбин всех производителей. Мы работаем как с легковыми автомобилями любых марок, так и с грузовым и судоходным транспортом. Обслуживаем не только жителей Москвы и области: автовладельцы из регионов могут прислать агрегат на ремонт через транспортную компанию».