Принцип работы и области применения турбокомпрессоров
Турбокомпрессор – это обобщенное название энергетической машины, функция которой - использование кинетической энергии отработанных газов двигателя внутреннего сгорания для сжатия воздуха с целью его последующего использования для работы двигателя.
Принцип работы турбокомпрессора следующий. Поток отработанных газов (высокой температуры и давления) проходит через лопаточную часть газовой турбины и благодаря своей кинетической энергии раскручивает ее. Турбиной через вал передается энергия вращения на лопаточную машину лопастного компрессора, которым осуществляется сжатие воздуха. Сжатый воздух поступает в камеру сгорания двигателя, там он смешивается с жидким топливом. За счет термохимических процессов в камере потенциальная энергия топлива и сжатого воздуха переходит в кинетическую, одновременно происходит увеличение объема и температуры смеси, благодаря чему одновременно осуществляется работа двигателя и воздействие на турбину турбокомпрессора. Турбокомпрессоры используются:
- В качестве турбонагнетателей в системах турбонаддува поршневых двигателей с целью увеличения коэффициента полезного действия.
- В качестве механической основы газотурбинных двигателей любого типа.
История развития турбокомпрессорной техники и технологии
История развития турбокомпрессора началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885-1896 гг. Дизель и Даймлер проводили исследования в области увеличения вырабатываемой мощности и уменьшения потребления топлива посредством сжатия воздуха, который нагнетался в камеру сгорания. В 1905 году инженер Бюхи успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, при этом мощность увеличилась на 40 %. Данное событие стало началом постепенного развития и внедрения турботехнологий.
Самые первые турбокомпрессоры использовались в чрезвычайно больших двигателях, главным образом, в корабельных. В авиации на истребителях с двигателем Рено успешно применялись турбокомпрессоры еще во времена Первой мировой войны. К второй половине 30-х годов 20 века уровень развития технологий позволили создать авиационные турбонагнетатели, использовавшиеся в форсированных двигателях для увеличения высотности. Самых больших успехов добились американцы, которые установили турбонагнетатели на истребители Р-38 и бомбардировщики В-17 в 1938 году. Во время Второй мировой войны в Соединенных Штатах Америки был создан истребитель Р-47 с мощным турбонагнетателем, он был сделан отключаемым и использовался для форсажа, резко увеличивая расход топлива и мощность. В автомобильной сфере турбокомпрессоры сначала использовались на больших грузовых машинах. В 1938 году на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузовой машины. Первыми легковыми автомобилями, которые были оборудованы турбинами были «Шевроле Монца» и «Олдмобайл Джетфаер», которые появились на рынке Америки в 1962-1963 годах. Начало использования турбодвигателей на спортивных машинах, в частности в гонках Формулы-1 в 70-х годах, стало причиной увеличения популярности турбокомпрессоров. В те времена все производители автомобилей предлагали минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Со временем мода на турбокомпрессоры проходила, потому что сильно увеличивался расход топлива, также у турбокомпрессоров того времени наблюдалась достаточно большая задержка в реакции. Перелом в турботехнологиях случился в 1977 году, в связи с установкой турбокомпрессора на серийный автомобиль «Сааб 99 Турбо», а с выпуском в 1978 году «Мерседес-Бенц 3000 SD», который был первым легковым автомобилем, оснащенным дизельным турбодвигателем. Через три года такой же двигатель установили в «VW Turbodiesel». Благодаря турбокомпрессорам производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, при этом сохранялся достаточно низкий уровень выброса выхлопных газов в атмосферу. Дизельные двигатели по сравнению с бензиновыми обладают повышенной степенью сжатия благодаря адиабатному расширению на рабочем ходе, их выхлопные газы гораздо меньшей температуры, что снижает требования к жаропрочности турбины.
