Турбина двигателя:  Что такое турбины и для чего они нужны?

 Что такое турбины и для чего они нужны?

 

           Что такое турбины и для чего они нужны?

 

   Основная задача турбин – это повышение мощности двигателя автомобиля. При помощи турбины можно значительно повысить мощность авто.

 

    Принцип работы турбокомпрессора прост: через выпускной коллектор отработанные газы попадают в корпус турбины в которой установлено турбинное колесо, которое приводится в движение. На одной оси с турбинным колесом установлено компрессорное колесо, которое в свою очередь сжимает воздух и падет его в впускной коллектор двигателя. Из всего этого следует, что обороты турбины очень высоки и напрямую зависят от мощности двигателя, скорость вращение турбины достигает 150.000 об/мин и более.

 

    При использовании турбины, в двигатель поступает воздух под высоким давлением, что позволяет увеличиться мощности автомобиля по отношению к объему двигателя и количеству топлива.Наиболее эффективными являются турбокомпрессоры высокого давления. Отличие в конструкции от обычных турбин в том, что турбины повышенного давления имеют клапан, который устраняет избыточное давление на высоких оборотах.Так же большинство турбокомпрессоров оснащены интеркулером.

 

   Основная задача интеркулера – охлаждение воздуха. Так как турбинаработает на больших оборотах, воздух в ней нагревается, тем самым понижается содержание кислорода и плотность воздуха. Интеркулер справляется с этой проблемой.Одной из проблем турбин всегда была небольшая задержка реакции(инерция), но сейчас эти недостатки уже практически устранены. С появлением двух параллельно расположенных турбин, одна из которых предназначена для работы на высоких оборотах, другая на низких, инерция турбины была значительно уменьшена.

   

    Так же, появились турбины, в которых стало возможно изменять угол наклона ротора, что в свою очередь так же позволяет бороться с проблемами связанными с задержкой в реакции. Хорошо уменьшена инерция в турбокомпрессорах с керамическими лопастями ротора, за счет того, что вес их меньше чем у стандартных аналогов.

Принцип работы турбокомпрессора (турбины) его конструкция и типы.

  Принцип работы любого турбокомпрессора основан на использовании энергии отработавших выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Поток выхлопных газов попадает на колесо турбины (закреплённую на валу), тем самым раскручивая её и одновременно с этим раскручивая колесо компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя.

 

   Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большая смесь воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ занимает больший объём и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень.

 

   Двигатели внутреннего сгорания снабженные турбокомпрессором более производительные, т. е. меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт•ч)), и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации.

 

   Поэтому, конструкцией двигателей с турбокомпрессором предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, а также в системе предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер)- радиатор для охлаждения воздуха. Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт.

 

   Особенно эффективен турбонаддув у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива. Наиболее мощные (по отношению к мощности двигателя) турбокомпрессоры применяются на тепловозных двигателях. Например на дизеле Д 49 мощностью 4000 л.с. установлен турбокомпрессор мощностью 1100 л.с.Наибольшей (по абсолютной величине) мощностью обладают турбокомпрессоры судовых двигателей, которая достигает 7000 л.с. .Современные турбокомпрессоры можно разделить на два основных типа: 1- с изменяемой геометрией соплового аппарата ( VNT турбокомпрессоры) и 2- без геометрии. Все они в свою очередь могут быть моно, твинскролы (двойные турбины) и т.д.

Профилактика и рекомендации.

     При запуске двигателя необходимо дать ему поработать на холостом ходу не менее шестидесяти секунд и прибавлять газ постепенно. Это обеспечивает достаточную смазку движущихся элементов турбины и предохраняет их от преждевременного износа. Чтобы не создавалось низкое давление в двигателе и пропускание паров масла, не эксплуатируйте турбину на холостом ходу более тридцати минут.

​    Обязательно давайте остыть турбокомпрессору перед выключением зажигания, поскольку быстрое выключение создаст резкий перепад температур в системе. Такие переходы быстро изнашивают любой механизм.

    Что касается эксплуатации авто зимой, когда двигатель быстро остывает или после долгого перерыва в работе необходимо сначала провернуть двигатель, и только потом запускать его на холостых оборотах. Это позволит наладить быструю циркуляцию масла и быстро заполнить систему компрессора рабочей жидкостью.

    Рекомендуется регулярная диагностика двигателя, особенно если Вы не уверены в качестве дизельного топлива.

По каким признакам можно определить неисправность турбины?

 Профессионально это сделать может только опытный мастер, но есть поломки, сразу бросающиеся в глаза. Это повышенный расход масла, синий дым из выхлопной трубы, посторонние шумы в работе мотора. 

7 главных заблуждений о турбомоторах: развенчиваем все! — журнал За рулем

Турбонаддувными двигателями оснащается все больше автомобилей по всему миру. При этом многие наши автолюбители до сих пор остаются во власти предрассудков, считая такие моторы ненадежными. Эксперт «За рулем» утверждает: это давно не так!

Материалы по теме

Все современные турбомоторы — это комбинированные двигатели. Состоит такой мотор из поршневого двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине либо дизельном топливе, и агрегата наддува. Выхлопные газы поршневого двигателя имеют высокие температуру и давление и несут в себе бо́льшую энергию. Эта энергия составляет примерно треть от всей, которую дало сгоревшее топливо. Выхлопные газы вращают центростремительную турбину, которая сидит на одном валу с центробежным компрессором. Компрессор сжимает воздух и подает его в цилиндры. Таким образом, сама идея турбонаддува — это использование энергии выхлопных газов для увеличения количества воздуха, подаваемого в поршневой двигатель.

Миф 1. Турбомотор — это обычный двигатель, к которому добавили турбину

Раньше — да. Сейчас двигатели, на которые устанавливают систему наддува, подвергаются значительным изменениям. Им полагаются усиленные поршни и шатуны, часто другой коленчатый вал. На них устанавливают систему, охлаждающую днища поршней маслом. Дорабатывают головку блока цилиндров: корректируют фазы газораспределения, применяют более жаростойкие материалы в клапанном механизме. Часто усиливают систему охлаждения и многое другое.

Миф 2. У турбомотора всегда есть турбояма

У первых наддувных моторов ухудшение разгонной характеристики действительно наблюдалось. Это происходило из-за инерции ротора турбины на определенных оборотах вращения коленвала, когда от двигателя требуется мощность, а агрегат наддува лишь начал раскручиваться. На современных моторах инерция сильно снижена благодаря уменьшению диаметра роторов турбины. Меньше диаметр — меньше инерция — быстрее раскрутка. А еще современные турбонаддувы обладают большим запасом, и даже на малых оборотах двигателя турбина сполна обеспечивает снабжение воздухом. Чтобы по мере роста оборотов поршневого двигателя турбонаддув не пошел вразнос, часть выхлопных газов перепускают, минуя турбину. Процессом управляет электроника. Это и позволяет получить высокий крутящий момент при небольших оборотах, а далее следует полка крутящего момента, которая так удобна при разгоне. И никакой турбоямы.

Миф 3. Турбомотор жрет топливо

Вовсе нет. Благодаря использованию энергии выхлопных газов наддувные двигатели имеют расход топлива на 20–40% ниже, чем у атмосферных аналогов. Большим расход будет только тогда, когда с мотора снимают полную мощность, нажимая педаль газа до упора.

Миф 4. Двигатели с турбонаддувом — всегда мощные и оборотистые

Материалы по теме

В Японии уже давно и успешно используют автомобили (кейкары) с рабочим объемом двигателя 0,66 л, которые благодаря наддуву развивают 64 л.с. Могли бы и больше, но это законодательное ограничение. В Европе тоже вовсю идет внедрение моторов рабочим объемом около литра, и благодаря наддуву они часто развивают больше 100 л.с.

Для турбодизельных двигателей большие обороты нехарактерны. Уже около трех десятилетий дизельные моторы для автомобилей не разрабатываются без системы турбонаддува. Безнаддувные двигатели на тяжелом топливе имели крайне низкую энерговооруженность и сравнительно высокий расход топлива. У современного дизеля с турбонаддувом все иначе. При этом обороты коленвала не бывают больше 4800 в минуту.

Миф 5. Сломалась турбина — можно ездить и так, пока не накоплю денег на новую

Современный мотор не сможет работать с вышедшим из строя турбонаддувом. Электронный блок управления позволит работать мотору лишь на небольших оборотах и мощности, а также зажжет контрольную лампу «Check engine».

Миф 6. Турбокомпрессоры неремонтопригодны — только менять

Современный агрегат наддува, укрупненно, состоит из четырех узлов: улитка турбины, улитка компрессора, картридж (корпус с подшипниковым узлом и рабочие колеса турбины и компрессора на валу) и модуль регулирования давления наддува. Чаще всего проблемы бывают с картриджем. Этот элемент можно приобрести новым или восстановленным и заменить, как, впрочем, и все остальные компоненты.

Миф 7.

 Турбомотор требует высокооктанового топлива

Все зависит от политики автопроизводителя. Премиум-сегмент считает ниже своего достоинства рекомендовать октановое число ниже 95. А, например, представленный год назад новый турбонаддувный двигатель с непосредственным впрыском топлива для Geely Atlas адаптирован под 92-й бензин. Благодаря системе непосредственного впрыска граница детонации отодвинута, что и позволяет использовать топливо с более низким октановым числом на турбомоторе.

• О плюсах и минусах турбомоторов узнайте тут.

Магия турбонаддува: как это устроено?

В 80-х компания SAAB, создающая реактивные самолеты и уже выпустившая несколько весьма неоднозначных (в плохом смысле) автомобилей, наконец совершила грандиозный ход — установила турбонаддув на свою новую серийную модель. Сейчас такое решение вряд ли назовут грандиозным, да и в те времена SAAB были далеко не первыми. Однако сразу после появления на свет SAAB 99 Turbo началась настоящая турбо-лихорадка. Слово «турбо» стало синонимом слова «круто». Появилось турбо-всё: турбо-холодильники, турбо-бритвы, турбо-очки, турбо-жвачка и т. д. Даже еженедельная рубрика телеканала Discovery по понедельникам называется Turbo! Но, возвращаясь к турбонаддуву, что это такое и как он работает? Рассказываем далее.

Говоря простым языком, если машина «турбо», значит у нее под капотом есть «кастрюля» с вентилятором, который крутится и изо всех сил толкает по каналам в мотор воздух, а дальше, как сказал известный телеведущий, творится колдовство и машина едет быстрее.

Если говорить более техническим языком, то все немного сложнее. Зачем вообще турбонаддув нужен? Автомобили ездят на горючем топливе. Топливу нужен кислород, чтобы гореть. В атмосферных двигателях воздух попадает в камеру сгорания самостоятельно, как бы по приглашению. Он засасывается прямо из атмосферы с, соответственно, атмосферным давлением. В турбированные же движки воздух попадает в том количестве и под тем давлением, как это будет решено конструкторами, что очень благоприятно сказывается на показателях мощности.

А теперь поговорим непосредственно про турбонаддув. Во-первых, на самом деле он называется нагнетатель. Во-вторых, он бывает разный. Основу любого нагнетателя составляет воздушный компрессор — та самая кастрюля с вентилятором, которая загоняет в мотор дополнительный воздух. А различие составляет способ получения энергии для работы. Таким образом, нагнетатели делятся на две категории: турбонагнетатель и механический нагнетатель.

Говоря простым языком, если машина «турбо», значит у нее под капотом есть «кастрюля» с вентилятором, который крутится и изо всех сил толкает по каналам в мотор воздух, а дальше, как сказал известный телеведущий, творится колдовство и машина едет быстрее.

Турбонагнетатель (турбина) получает энергию от переработанного топлива. В выхлопной системе устанавливается небольшая турбина, которую раскручивают выхлопные газы. Ее вращение передается в воздушный компрессор, и он делает свое дело. Механический нагнетатель, который гораздо чаще называют просто компрессор, работает на ременном приводе: он забирает энергию вращения непосредственно у двигателя, как, например, автомобильный генератор. В русском языке существует некая путанница между понятиями «турбина», «компрессор» и «нагнетатель», а вот в английском все очень просто — у них есть turbocharger и supercharger.

А какая между ними разница? Ведь установка того или иного нагнетателя сильно влияет на мощность и динамику автомобиля. Давайте разбираться.

Турбина забирает энергию вращения от потока выхлопных газов. А пока потока нет — турбина не крутится, следовательно мотор работает как простой атмосферник, и автомобиль едет соответственно. Это называется понятием «турбояма» и характерно для всех двигателей с турбиной. Компрессор же забирает вращение непосредственно от мотора, а следовательно подхватывает ваше желание ехать быстрее уже на низких оборотах двигателя, что положительно сказывается на общей динамике автомобиля. Однако турбина, все так же за счет работы от выхлопных газов, дает в итоге больший прирост мощности, чем компрессор. Существуют модели автомобилей, заводские и тюнингованные, на которые хитрецы устанавливают и то, и другое, решая тем самым проблему турбоямы и недостатка мощности. Стоит сказать и про надежность — у турбины гораздо больше сложных деталей, а значит выше вероятность поломки.

А как в итоге воздух попадает через нагнетатель в двигатель? В отличе от атмосферников, он совершает целое путешествие. Помимо воздушного фильтра, он проходит через нагнетатель, а потом через интеркуллер. Это устройство по сути является обычным радиатором, охлаждающим разогретый в нагнетателе воздух. У прохладного воздуха больше плотность, он занимает меньший объем, и таким образом подавать в мотор охлажденный воздух гораздо выгоднее. Дальше происходит стандартный для камеры сгорания процесс: воздух и топливо сжигаются и отправляются через выхлопную систему прочь из автомобиля, по пути раскручивая турбину, если, конечно, она там есть.

Турбо-день на телеканале Discovery! Каждую неделю по понедельникам в 22:00 (мск) смотрите новые серии шоу «Быстрые и громкие», а в 22:55 (мск) — шоу «В ГАС на прокачку».

Как работает турбокомпрессор

Как работает турбокомпрессор
 
Содержание статьи
 

1. Введение
2. Турбокомпрессоры и двигатели
3. Устройство турбокомпрессора
4. Детали турбокомпрессора
5. Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
6. Узнать больше
7. Читайте также » Все статьи про работу двигателя

 
 
В этой статье мы узнаем, каким образом турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя в жестких условиях эксплуатации.

Мы также узнаем о том, как регуляторы давления наддува, керамические лопатки турбины и шариковые подшипники улучшают работу турбокомпрессора. Турбокомпрессоры являются своего рода системой наддува. Они сжимают воздух, поступающий в двигатель (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для описания движения воздуха в обычном двигателе). Преимущество сжатия воздуха состоит в том, что при этом можно впустить больше воздуха в цилиндр, и, соответственно, больше топлива. Таким образом, при каждом взрыве в цилиндрах высвобождается больше энергии. Двигатель с турбонаддувом является более мощным по сравнению с обычным двигателем. Благодаря этому существенно увеличивается удельная мощность двигателя (для получения более подробной информации, рекомендуем прочитать статью «Как работает лошадиная сила»).
 
Для увеличения мощности двигателя, турбокомпрессор использует выхлопные газы для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает нагнетатель воздуха. Турбина турбокомпрессора вращается со скоростью до 150.000 оборотов в минуту (об/мин) — это примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения большинства автомобильных двигателей. В связи с тем, что выхлоп идет на турбокомпрессор, температура в турбине очень высокая.
 
Далее мы расскажем о том, как узнать, насколько увеличится мощность двигателя, если установить турбокомпрессор.

 
 
 

Система турбонаддува автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution IX.
 
Турбокомпрессоры и двигатели
 
Одним из самых эффективных способов увеличения мощности двигателя является увеличение количества сгораемого воздуха и топлива. Для этого можно установить дополнительные цилиндры или увеличить их объем. В некоторых случаях невозможно осуществить эти модификации, поэтому установка турбокомпрессора может стать более простым и компактным способом увеличения мощности, особенно для подержанных автомобилей.
 
Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха благодаря увеличению подачи смеси в цилиндры. Стандартное давление сжатия воздуха турбокомпрессором составляет 6-8 фунт/дюйм² (0,4 — 0,55 бар). Учитывая, что нормальное атмосферное давление составляет 14,7 фунт/дюйм² (1 бар), при помощи турбокомпрессора в двигатель поступает на 50% больше воздуха. Следовательно, можно рассчитывать на увеличение мощности двигателя на 50%. Однако, эта технология не идеальна, поэтому мощность увеличивается на 30 — 40%.
 
Одна причина недостаточной эффективности состоит в том, что энергия, которая вращает турбину, не является свободной. Турбина, установленная в потоке выхлопных газов, создает препятствие для выхода газов. Это означает, что во время такта выпуска двигатель должен преодолеть высокое противодавление. В связи с этим происходит расход энергии работающих цилиндров.
 

 
Расположение турбокомпрессора в автомобиле

 
Устройство турбокомпрессора
 
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя при помощи болтового соединения. Выхлопы из цилиндра вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в цилиндры.
 
Отработанные газы от цилиндра проходят через лопатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит через лопатки, тем быстрее происходит вращение.
 
С другой стороны вала, который установлен на турбине, компрессор вводит воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой своего рода центробежный насос — он втягивает воздух в центр лопаток и выпускает его под давлением во время вращения.
 
Для того, чтобы выдержать скорость вращения до 150.000 об/мин, вал турбины должен иметь надежную опору. Большинство подшипников не выдержит такую скорость и взорвется гидростатические подшипники. Такой тип подшипников поддерживает вал на тонком слое масла, которое непрерывно подается. Это обусловлено двумя причинами: Масло охлаждает вал и некоторые другие детали турбокомпрессора и позволяет валу вращаться, снижая трения.
 
Существует много различных решений, связанных с конструкцией турбокомпрессоров для автомобильных двигателей. На следующей странице мы расскажем о некоторых оптимальных вариантах и рассмотрим, как они влияют на работу двигателя.
 

Слишком сильное сжатие?   Когда воздух под давлением запускается в цилиндры при помощи турбокомпрессора и затем сжимается поршнями (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для наглядного описания), существует риск самовозгорания смеси. Возгорание может произойти при сжатии воздуха, т.к. при этом возрастает температура. При высокой температуре может произойти возгорание еще до срабатывания свечи зажигания. Для предотвращения раннего сгорания топлива, автомобили с турбокомпрессором рекомендуется заправлять высокооктановым бензином. Если давление наддува слишком высокое, возможно придется уменьшить степень сжатия двигателя для того, чтобы избежать раннего сгорания топлива.

 

 

Как устанавливается турбокомпрессор
 
 
 

 

Как турбокомпрессор выглядит изнутри
 

 

 
Детали турбокомпрессора
 
Одна из основных проблем турбокомпрессоров состоит в том, что они не обеспечивают мгновенный форсированный наддув по нажатию на педаль газа. Турбине требуется несколько секунд для того, чтобы набрать скорость вращения, необходимую для наддува. В результате возникает задержка между временем нажатия на педаль газа и временем начала ускорения автомобиля при срабатывании турбины.
 
Одним из способов устранения задержки является снижение инерции вращающихся деталей, благодаря снижению их массы. Это способствует более быстрому набору скорости вращения турбины и компрессора и раннему началу наддува. Одним из наиболее надежных способов снижения инерции турбины и компрессора является уменьшение их размеров. Небольшой турбокомпрессор быстрее начнет наддув при низкой скорости работы двигателя, однако он не сможет обеспечить достаточный наддув при больших скоростях двигателя, когда в цилиндры поступает значительные объемы воздуха. Также существует риск слишком быстрого вращения на высоких скоростях двигателя, т.к. при этом через турбину проходит значительный объем выхлопа.
 
Большой турбокомпрессор может обеспечить сильный наддув при высокой скорости вращения двигателя, однако при этом может наблюдаться сильная задержка наддува, т.к. необходимо определенное время на разгон тяжелой турбины и компрессора. К счастью, существует ряд решений данных проблем.
 
В большинстве автомобильных турбокомпрессоров используется регулятор давления наддува, который позволяет уменьшить время задержки наддува небольших турбокомпрессоров, предотвращая слишком быстрое вращение при высокой скорости вращения двигателя. Регулятор давления наддува представляет собой клапан, который обеспечивает выпуск выхлопа в обход лопаток турбины. Регулятор давления наддува измеряет давление наддува. Если давление слишком высокое, это означает, что турбина вращается слишком быстро, поэтому регулятор давления наддува выпускает определенное количество выхлопа в обход лопаток для снижения скорости вращения турбины.
 
В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо гидростатических подшипников для поддержки вала. Но это не обычные шариковые подшипники – это особые подшипники, изготовленные из специального материала, которые могут выдержать скорости и температуры турбокомпрессора. Они снижают трение вала турбины при вращении, как и гидростатические подшипники. Они также позволяют использовать меньший и облегченный вал. Благодаря этому происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что, в свою очередь, снижает задержку.
 
Керамические лопатки турбины легче стальных лопаток, которые используются в большинстве турбокомпрессоров. Благодаря этому опять же происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что снижает задержку.
 

 

Турбокомпрессор обеспечивает наддув при большой скорости вращения двигателя.
 

 
Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
 
На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.
 
Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.
 
Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.
 
Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм² (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм² (0,5 бар), который является более плотним и содержит больше молекул, чет теплый воздух.
 
Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.
 
В старых автомобилях с карбюраторами автоматически увеличивается подачу топлива в соответствии с увеличением подачи воздуха. В современных автомобилях происходит то же самое. Система впрыска топлива ориентируется на данные датчика кислорода в выхлопе для определения необходимого соотношения топлива и воздуха, так что система автоматически увеличивает подачу топлива при установленном турбокомпрессоре.
 
При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.
 
Для получения большей информации по турбокомпрессорам, рекомендуем ознакомиться со ссылками на следующей странице.
 

 

Mazda RX-8 купе-кабриолет с установленной системой турбонаддува
 
Источник:  https://auto.howstuffworks.com/

Тюнинг двигателя: турбина или компрессор, что лучше установить?

Профессионалы автомобильного мира, и простые автолюбители знают о том, что двигатель с большим рабочим объёмом, выдает большую мощность по сравнению с малолитражными движками. Двигатель с малой кубатурой, не может дать автомобилю большой прирост мощности в силу своей слабости :).

Над тем, что сделать, чтобы малокубатурный двигатель давал мощности больше, задумывались давно. И вот, на заре развития авто-тюнинга, изобретатели придумали установку в двигатель дополнительного агрегата – компрессора.

Появилась возможность, задувать в камеру сгорания малокубатурного двигателя больше воздуха, что в свою очередь влечёт к обогащению топливной смеси кислородом и, как следствие, к увеличению мощности двигателя. Практически одновременно с компрессором стали использовать и турбину, все с той же целью — задуть в камеру сгорания больше кислорода и обогатить топливную смесь.

То есть цель использования турбины и компрессора одна и та же.

Забегая вперед, сразу оговоримся, что и турбина, и компрессор впоследствии зарекомендовали себя очень хорошо. Наибольшее распространение получила все же турбина, поскольку имеет более высокий КПД (коэффициент полезного действия) и позволяет экономить топливо, но и компрессоры так же используются на современных автомобилях.

Особенно эффективна турбина на дизельных двигателях, поэтому почти все современные дизельные движки имеют приставку «турбо».

В чем основное отличие турбины от компрессора?

Главное отличие турбины от компрессора в том, что в этих устройствах используются разные источники привода. Компрессор работает от вала двигателя и представляет собой отдельную, самостоятельную механическую единицу, а турбина приводится в работу энергией выхлопных газов и жестко привязана к двигателю.

Турбина, весьма эффективна для обогащения топливной смеси кислородом, но в ней, есть существенные неудобство – она стационарное устройство, требующее плотной привязки к двигателю (подвода масла под давлением). Турбина — сложное и дорогое устройство.

Компрессор гораздо проще в эксплуатации, требует минимальных усилий по обслуживанию – он независимый агрегат и этим все сказано.

Турбонаддув, весьма заманчив, но не стоит забывать, что любые турбины дорогие, из-за своих технологических характеристик: устройство сделано так, что требует дополнительных механизмов, например выпускной коллектор. В настройке она под силу только специалисту высокого уровня, который в состоянии чутко настроить работу для обеспечения оптимального состава топливной смеси.

Компрессор же удобен тем, что его настройка по силам любому человеку мало-мальски разбирающемуся в карбюраторах. Он достаточно легко настраивается посредством топливных жиклеров.

Для сравнения ещё один пункт: турбина вместе с установкой в двигатель Вам обойдётся не меньше 500 условных единиц, когда как компрессор стоит всего 150 условных единиц. Прирост мощности от такого тюнинга составляет в районе 20-30 % от начальной мощности двигателя.

Есть и еще одна очень существенная разница в работе этих устройств, которая так же может оказать влияние на выбор, что установить на автомобиль, турбину или компрессор…

Эта разница в том, в каком диапазоне оборотов двигателя работает устройство. И тут очевидно, что в этом компоненте компрессор будет выигрывать у турбины, поскольку компрессор может выполнять свою функцию даже на низких оборотах двигателя.

Турбине же требуется высокое давление выхлопных газов, которые образовываются только после достижения двигателем определенных оборотов. Раньше турбины начинали свою работу только с 4000 об/мин, но современные турбины значительно эффективнее и могут работать эффективно при более низких оборотах.

Что означает эта разница в работе компрессора и турбины? Автомобиль с компрессором будет значительно эффективнее разгоняться с самого старта. Автомобиль же с турбиной начинает разгон не очень шустро (наблюдается эффект турбоямы), но при достижении определенных оборотов следует резкий подхват и ускорение.

Какие из всего этого можно сделать выводы? Если Вы большой любитель скорости – а, вероятно, таких авто владельцев большинство, – смело устанавливайте компрессор в двигатель вашего авто, если у вас бензиновый двигатель. Если же у вас дизель, то, пожалуй, лучше использовать турбину.

Паровая турбина

Паровая турбина — вид двигателя, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу.
Паровая турбина состоит из двух основных частей — ротор с лопатками (подвижная часть турбины) и статор с соплами (неподвижная часть).

В паровой турбине потенциальная энергия сжатого или нагретого пара (обычно водяного) преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую через вращение вала турбины — пар, вырабатываемей паровым котельным аппаратом, поступает (через специальные направляющие) на лопатки турбины, закрепленные по окружности ротора, и приводит к его вращению.

Турбины бывают:

• Конденсационные – предназначены для преобразования максимально возможной части тепла пара в механическую энергию. Бывают стационарными и транспортными.
• Теплофикационные — предназначены для получения электрической и тепловой энергии.
• Специального назначения — работают на уходящем тепле от предприятий различного вида (пар, выхлопы и т.д.).

Паровые турбины, как и поршневые двигатели, используются в качестве приводов для различных устройств:

• Стационарные паровые турбины обычно используют как привода турбогенераторов – устанавливаются на одном валу с генераторами. В качестве конечного продукта системы рассматривается, главным образом, электроэнергия. Тепловая энергия используется лишь в небольшой части. Паровые турбины для электростанций имеют назначенный ресурс в 270 тыс. ч. с капитальным ремонтом в период около 4 лет.
• Теплофикационные паровые турбины предназначены для одновременного получения как электрической, так и тепловой энергии (по аналогии с когенерационными электростанциями, базирующимися на газопоршневых двигателях). Такие системы называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Электрическая мощность, развиваемая турбоагрегатом с такой паровой турбиной, зависит от фактической нагрузки производства или его потребности в паре. Поэтому ТЭЦ обычно работает параллельно с электросетью, которые покрывают возникающий дефицит в электроэнергии.
• Транспортные паровые турбины применяются как главные и дополнительные двигатели на кораблях и судах. В отличие от большинства стационарных турбин, транспортные паровые турбины работают с переменной частотой вращения, зависящей от требуемой скорости судна.

Основные отличия турбины от поршневого двигателя.

Паровые турбины и поршневые двигатели имеют ряд существенных отличий, связанных с конструкционными особенностями. Эти отличия существенно влияют на выбор того или иного принципа работы приводного двигателя в разных системах:

• Электрический КПД в электростанциях. Наивысший электрический КПД – до 34% у турбины и 42% и более у газопоршневого двигателя – достигается при работе со 100%-ной нагрузкой. При снижении нагрузки до 50 % электрический КПД газовой турбины снижается почти в 2 раза (50%). Для газопоршневого двигателя такое же изменение режима нагрузки приведет к снижению КПД всего на 4-5%.
• Номинальный выход мощности, и поршневого двигателя, и турбины зависит от высоты площадки над уровнем моря и температуры окружающего воздуха. При повышении температуры от –30 °С до +30 °С электрический КПД у турбины снижается на 15–20 %. В отличие от турбины, поршневой двигатель практически не меняет электрический КПД в данном интервале температур.
• Количество пусков: турбину, из-за резких изменений термических напряжений, возникающих в наиболее ответственных узлах и деталях горячего тракта при пусках агрегата из холодного состояния, предпочтительнее использовать для покрытия базовой нагрузки, не предусматривающей остановы и пуски, так как каждый пуск ведет к снижению назначенного ресурса.
• Поршневой двигатель может запускаться и останавливаться неограниченное число раз, что не отражается на его моторесурсе. Поэтому поршневой двигатель лучше приспособлен для покрытия пиковых нагрузок.
• Ресурс до капитального ремонта у турбины  — порядка 30 000 рабочих часов (около 4 лет), у поршневого двигателя этот показатель равен 60 000 рабочих часов (около 8 лет).
• Стоимость капитального ремонта турбины с учётом затрат на запчасти и материалы несколько выше, чем ремонт поршневой установки — он требует значительно меньше финансовых и людских ресурсов.
• Капитальный ремонт может проводиться только на специально подготовленном стенде (обычно – на заводе производителе), в отличие от газопоршневого двигателя, который может ремонтироваться на месте.
• Эксплуатационные затраты на ТЭЦ с поршневыми машинами ниже, чем на ТЭЦ с турбинами. Резкие скачки на графике ГТД — капитальные ремонты двигателя. У эксплуатационных затрат ГПД таких скачков нет.
• Строительство ТЭЦ на базе поршневых двигателей электрической мощностью до 15 МВт, как правило, ниже чем на базе турбин. Это связано с более сложной монтажной и технологической частью, требующей применение пара.

Для мощностей свыше 15 МВт электрической мощности, строительство ТЭЦ, как правило более целесообразно на базе турбин, так как габаритные размеры и стоимость поршневых электростанций  высокой единичной мощности превышают экономический эффект от их использования в сравнении с турбинами

Пламенный мотор

Реактивные авиадвигатели во второй половине XX века открыли новые возможности в авиации: полеты на скоростях, превышающих скорость звука, создание самолетов с высокой грузоподъемностью, а также сделали возможным массовые путешествия на большие расстояния. Турбореактивный двигатель по праву считается одним из самых важных механизмов ушедшего века, несмотря на простой принцип работы.

История

Первый самолет братьев Райт, самостоятельно оторвавшийся от Земли в 1903 году, был оснащен поршневым двигателем внутреннего сгорания. И на протяжении сорока лет этот тип двигателя оставался основным в самолетостроении. Но во время Второй мировой войны стало ясно, что традиционная поршнево-винтовая авиация подошла к своему технологическому пределу – как по мощности, так и по скорости. Одной из альтернатив был воздушно-реактивный двигатель.

Идею применения реактивной тяги для преодоления земного притяжения впервые довел до практической осуществимости Константин Циолковский. Еще в 1903 году, когда братья Райт запускали свой первый самолет «Флайер-1», российский ученый опубликовал труд «Исследование мировых пространств реактивными приборами», в котором разработал основы теории реактивного движения. Опубликованная в «Научном обозрении» статья утвердила за ним репутацию мечтателя и не была воспринята всерьез. Циолковскому потребовались годы трудов и смена политического строя, чтоб доказать свою правоту.

Реактивный самолет Су-11 с двигателями ТР-1, разработки КБ Люльки

Тем не менее, родиной серийного турбореактивного двигателя суждено было стать совсем другой стране – Германии. Создание турбореактивного двигателя в конце 1930-х было своеобразным хобби немецких компаний. В этой области отметились практически все известные ныне бренды: Heinkel, BMW, Daimler-Benz и даже Porsche. Основные лавры достались компании Junkers и ее первому в мире серийному турбореактивному двигателю 109-004, устанавливаемому на первый же в мире турбореактивный самолет Me 262.

Несмотря на невероятно удачный старт в реактивной авиации первого поколения, немецкие решения дальнейшего развития нигде в мире не получили, в том числе и в Советском Союзе.

В СССР разработкой турбореактивных двигателей наиболее удачно занимался легендарный авиаконструктор Архип Люлька. Еще в апреле 1940 года он запатентовал собственную схему двухконтурного турбореактивного двигателя, позже получившую мировое признание. Архип Люлька не нашел поддержки у руководства страны. С началом войны ему вообще предложили переключиться на танковые двигатели. И только когда у немцев появились самолеты с турбореактивными двигателями, Люльке было приказано в срочном порядке возобновить работы по отечественному турбореактивному двигателю ТР-1.

Уже в феврале 1947 года двигатель прошел первые испытания, а 28 мая свой первый полет совершил реактивный самолет Су-11 с первыми отечественными двигателями ТР-1, разработки КБ А.М. Люльки, ныне филиала Уфимского моторостроительного ПО, входящего в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК).

Принцип работы

Турбореактивный двигатель (ТРД) работает по принципу обычной тепловой машины. Не углубляясь в законы термодинамики, тепловой двигатель можно определить как машину для преобразования энергии в механическую работу. Этой энергией обладает так называемое рабочее тело – используемый внутри машины газ или пар. При сжатии в машине рабочее тело получает энергию, а при последующем его расширении мы имеем полезную механическую работу.

При этом понятно, что работа, затрачиваемая на сжатие газа должна быть всегда меньше работы, которую газ может совершить при расширении. Иначе никакой полезной «продукции» не будет. Поэтому газ перед расширением или во время него нужно еще и нагревать, а перед сжатием – охладить. В итоге за счет предварительного нагрева энергия расширения значительно повысится и появится ее излишек, который можно использовать для получения необходимой нам механической работы. Вот собственно и весь принцип работы турбореактивного двигателя.

Таким образом, любой тепловой двигатель должен иметь устройство для сжатия, нагреватель, устройство для расширения и охлаждения. Все это есть у ТРД, соответственно: компрессор, камера сгорания, турбина, а в роли холодильника выступает атмосфера.

 

Рабочее тело – воздух, попадает в компрессор и сжимается там. В компрессоре на одной вращающейся оси укреплены металлические диски, по венцам которых размещены так называемые «рабочие лопатки». Они «захватывают» наружный воздух, отбрасывая его внутрь двигателя.

Далее воздух поступает в камеру сгорания, где нагревается и смешивается с продуктами сгорания (керосина). Камера сгорания опоясывает ротор двигателя после компрессора сплошным кольцом, либо в виде отдельных труб, которые называются жаровыми трубами. В жаровые трубы через специальные форсунки и подается авиационный керосин.

Из камеры сгорания нагретое рабочее тело поступает на турбину. Она похожа на компрессор, но работает, так сказать, в противоположном направлении. Ее раскручивает горячий газ по тому же принципу, как воздух детскую игрушку-пропеллер. Ступеней у турбины немного, обычно от одной до трех-четырех. Это самый нагруженный узел в двигателе. Турбореактивный двигатель имеет очень большую частоту вращения – до 30 тысяч оборотов в минуту. Факел из камеры сгорания достигает температуры от 1100 до 1500 градусов Цельсия. Воздух здесь расширяется, приводя турбину в движение и отдавая ей часть своей энергии.

После турбины – реактивное сопло, где рабочее тело ускоряется и истекает со скоростью большей, чем скорость встречного потока, что и создает реактивную тягу.

Поколения турбореактивных двигателей

Несмотря на то, что точной классификации поколений турбореактивных двигателей в принципе не существует, можно в общих чертах описать основные типы на различных этапах развития двигателестроения.

К двигателям первого поколения относят немецкие и английские двигатели времен Второй мировой войны, а также советский ВК-1, который устанавливался на знаменитый истребитель МИГ-15 и на самолеты ИЛ-28, ТУ-14.

Истребитель МИГ-15

ТРД второго поколения отличаются уже возможным наличием осевого компрессора, форсажной камеры и регулируемого воздухозаборника. Среди советских примеров двигатель Р-11Ф2С-300 для самолета МиГ-21.

Двигатели третьего поколения характеризуются увеличенной степенью сжатия, что достигалось увеличением ступеней компрессора и турбин, и появлением двухконтурности. Технически это самые сложные двигатели.

Появление новых материалов, которые позволяют значимо поднять рабочие температуры, привело к созданию двигателей четвертого поколения. Среди таких двигателей – отечественный АЛ-31 разработки ОДК для истребителя Су-27.

Сегодня на уфимском предприятии ОДК начинается выпуск авиационных двигателей пятого поколения. Новые агрегаты установят на истребитель Т-50 (ПАК ФА), который приходит на смену Су-27. Новая силовая установка на Т-50 с увеличенной мощностью сделает самолет еще более маневренным, а главное – откроет новую эпоху в отечественном авиастроении.  

границ | Мониторинг вибрации газотурбинных двигателей: подходы к машинному обучению и их проблемы

Введение

Измерения вибрации обычно считаются надежным индикатором общего состояния машины (глобальный мониторинг). Общий принцип, лежащий в основе использования данных о вибрации, заключается в том, что, когда начинают развиваться неисправности, динамика системы изменяется, что приводит к моделям вибрации, отличным от тех, которые наблюдаются в исправном состоянии контролируемой системы.В последние годы производители газотурбинных двигателей обратили свое внимание на повышение надежности и доступности своего парка, используя подходы к мониторингу состояния на основе данных и вибрации (King et al., 2009). Эти методы обычно предпочтительнее для стратегий онлайн-мониторинга по сравнению с подходом к моделированию, основанным на физике, при котором разрабатывается общая теоретическая модель и при ее разработке используются несколько допущений. В случае подходов к мониторингу состояния на основе данных модель, основанная на данных двигателя, может быть построена таким образом, чтобы можно было зафиксировать неотъемлемые линейные и нелинейные зависимости, в зависимости от метода, которые характерны для отслеживаемой системы.По этой причине производители двигателей видят необходимость внедрения таких подходов во время промежуточных испытаний, когда необходимо выявлять возможные дефекты на ранней стадии, до того, как произойдет полный отказ компонентов.

Из-за сложных процессов, происходящих в газотурбинном двигателе, и поскольку режимы отказа таких систем редко наблюдаются на практике, парадигма обнаружения новизны обычно применяется для разработки модели, управляемой данными (Тарасенко и др., 2009) , поскольку в этом случае для обучения нужны только данные, поступающие из работоспособного состояния системы.С другой стороны, традиционные подходы мультиклассовой классификации не так просто реализовать, поскольку невозможно получить данные и / или понимание (метки) для всех классов отказов. Основная концепция метода обнаружения новизны описана Pimentel et al. (2014): обучающие данные из одного класса используются для построения управляемой данными модели, описывающей распределение, к которому они принадлежат. Данные, не принадлежащие к этому классу, являются новыми / выбросами. В контексте газотурбинного двигателя разработана модель «нормального» состояния двигателя (класс 𝒩), поскольку данные доступны только из этого класса.Затем эта модель используется для определения того, классифицируются ли новые невидимые точки данных как нормальные или «новые» (класс 𝒜), путем сравнения их с распределением, полученным из данных класса 𝒩. Такая модель должна быть достаточно чувствительной, чтобы на самой ранней стадии идентифицировать потенциальные предвестники локальных неисправностей компонентов, которые могут привести к полному отказу двигателя. Затраты на стратегию непрерывного обслуживания (т.е. вывод оборудования из эксплуатации после отказа для замены) исключительно высоки, но, что наиболее важно, требования безопасности имеют решающее значение, и, следовательно, в таких системах требуются надежные механизмы сигнализации.

Подходы к обнаружению новинок используют машинное обучение и статистику. В этом исследовании мы будем использовать непараметрический подход, специфичный для отслеживаемого двигателя и основанный исключительно на данных для разработки модели. Область обнаружения новинок составляет значительную часть дисциплины машинного обучения, поэтому здесь будет упомянуто лишь несколько примеров литературы, посвященной применению мониторинга состояния двигателя с использованием машинного обучения. Некоторые из самых ранних работ в этой области стали возможны благодаря сотрудничеству Оксфордского университета и Rolls Royce (Hayton et al., 2000). Авторы в этой статье использовали данные о вибрации для обучения одноклассной опорной векторной машины (OCSVM). Так называемые отслеживаемые приказы (определяемые как амплитуды вибрации, сосредоточенные на основе частоты вращения вала двигателя и ее гармоник) использовались в качестве обучающих функций для OCSVM. OCSVM также был реализован для обнаружения надвигающейся нестабильности горения в промышленных системах сгорания с использованием измерений давления сгорания и высокоскоростных изображений сгорания в качестве входных обучающих данных (Clifton et al., 2007). Этот метод также был расширен в Clifton et al. (2014) для калибровки оценок новизны OCSVM в условных вероятностях.

Выбор функции ядра, используемой в OCSVM, значительно влияет на точность классификации. Поскольку ядро ​​определяет сходство между двумя точками, его выбор в основном зависит от данных. Однако ширина ядра является более важным фактором, чем выбор конкретной функции ядра, поскольку ее можно выбрать таким образом, чтобы гарантировать наилучшее описание данных (Scholkopf and Smola, 2001).Хотя методы ядра считаются хорошим способом внедрения специфических знаний в такой алгоритм, как OCSVM, выбор функции ядра и настройка ее параметров не так просты. В этом исследовании авторы следуют относительно простому подходу к определению как параметра функции ядра, так и параметра штрафа за оптимизацию для OCSVM. Параметр функции ядра, который был изменен, представляет собой ширину ядра радиальной базисной функции (RBF) γ вместе с параметром штрафа за оптимизацию ν.В общем, γ управляет сложностью описания обучающих примеров, в то время как ν определяет верхнюю границу доли точек обучающих данных, которые находятся за пределами границы, определенной для данных класса 𝒩. Используя эти два параметра, можно найти компромисс между хорошей возможностью обобщения модели и хорошим описанием данных (обучающий набор данных) для получения точных и надежных прогнозов.

Схема обнаружения новизны, которая представлена ​​в следующих разделах, была разработана для газотурбинного двигателя, который работает на ряде альтернативных видов топлива с различным соотношением воздуха к топливу.Этот двигатель используется для изучения влияния таких рабочих параметров на его характеристики (например, выбросы выхлопных газов), и поэтому важно обеспечить раннее обнаружение надвигающихся неисправностей, которые могут иметь место во время этих испытаний. Поскольку мы применяем обнаружение новинок в глобальной системе, для мониторинга должен использоваться весь частотный спектр вибрации, а не конкретные полосы частот, соответствующие компонентам двигателя. Как будет показано ниже, можно ожидать больших амплитуд колебаний в любой области спектра.

Экспериментальная установка и описание данных

Экспериментальные данные, использованные в этой работе, были взяты из более крупного проекта, целью которого было охарактеризовать различные альтернативные виды топлива с точки зрения характеристик двигателя, например, расхода топлива и выбросов выхлопных газов. Альтернативные виды топлива, состоящие из обычного керосинового топлива Jet-A1 и биотоплива, показали многообещающие результаты с точки зрения сокращения выбросов парниковых газов и других показателей эффективности. В нескольких исследовательских программах изучались альтернативные виды топлива для авиации достаточно широко, как описано в Blakey et al.(2011). На установке, которая использовалась для тестирования различных альтернативных видов топлива при различных соотношениях воздух-топливо в двигателе, находится Honeywell GTCP85-129, который является вспомогательной силовой установкой типа турбовального газотурбинного двигателя. Таким образом, принцип работы этого двигателя следует типичному циклу Брайтона. Как показано на принципиальной схеме двигателя на рис. 1, двигатель втягивает окружающий воздух из впускного отверстия (1 атм) через центробежный компрессор C1, где он повышает свое давление, ускоряя жидкость и пропуская ее через расширяющуюся секцию.Давление текучей среды дополнительно увеличивается во втором центробежном компрессоре C2, прежде чем она будет смешана с топливом в камере сгорания (CC) и воспламенена для добавления энергии в систему (в виде тепла) при постоянном давлении. Газы с высокой температурой и давлением распространяются через турбину, которая приводит в действие два компрессора, генератор G мощностью 32 кВт, который обеспечивает электрическую мощность самолета, и вспомогательное оборудование двигателя (EA), например топливные насосы, через редуктор понижающей скорости.

Рисунок 1 .Принципиальная схема газотурбинного двигателя экспериментальной установки, изображающая основные особенности.

Выпускной клапан (BV) двигателя позволяет отводить высокотемпературный сжатый воздух (~ 232 ° C при 338 кПа абсолютного давления) в кабину самолета и обеспечивать пневматическую мощность для запуска основных двигателей. Это позволяет испытывать двигатель в различных режимах работы, поскольку массовый расход воздуха к топливу, который поступает в CC, может изменяться в зависимости от положения BV. Когда BV открывается, частота вращения турбины будет снижаться, если не будет добавлено топливо для компенсации потерянной работы.Потери энергии возникают из-за уменьшения выполняемой работы с рабочей жидкостью двигателя, когда она проходит через вторую ступень сжатия. Количество потерянной работы пропорционально массе отводимого воздуха м _отвод и может быть выражено как w _{c 2} = м _отвод c _p dT , с c _p , представляющая теплоемкость рабочего тела, и dT — перепад температур на второй ступени сжатия.Поскольку частота вращения вала должна оставаться постоянной на уровне 4356 ± 10,5 рад / с, регулятор расхода топлива достигает этого, регулируя давление в топливной магистрали, нагнетая поток топлива различной массы в CC.

Увеличение массового расхода топлива, поступающего в CC для поддержания постоянной скорости вращения вала без последующего увеличения массового расхода воздуха, приводит к повышению температуры выхлопных газов, как показано в таблице 1. Это можно объяснить тем фактом, что при Это недостаток кислорода, необходимый для полного сгорания поступающего распыленного топлива, больше капель топлива переносятся дальше по потоку от CC, пока они в конечном итоге не сгорят.Это постепенное горение топлива вдоль участка сгорания заставляет связанное с ним пламя распространяться дальше в сторону зоны разбавления. Следовательно, происходит недостаточное охлаждение газового потока, что приводит к более высокому выходу из камеры сгорания и, в свою очередь, к температурам выхлопных газов. Это также означает, что существует верхний и нижний предел температуры выхлопных газов, который контролируется и регулируется электронным регулятором температуры.

Таблица 1 . Усредненные параметры работы двигателя для трех режимов работы на топливе Джет-А1.

Рассмотрены три режима работы при изменении BV на три позиции. Эти режимы типичны для вспомогательного энергоблока и соответствуют конкретной нагрузке турбины и соотношению воздух-топливо. Таким образом, нагрузка турбины зависит исключительно от отводящей нагрузки, в то время как нагрузка на вал (объем работы, необходимый для привода генератора и ЭП) остается постоянной во всех трех рабочих режимах. При использовании обычного керосинового реактивного топлива Джет-А1 средние значения основных параметров двигателя изменяются на трех режимах работы, как показано в таблице 1.Что касается режима 1, двигатель BV полностью закрыт; нет дополнительной нагрузки на турбину, в то время как режим 2 является настройкой средней мощности и используется, когда главные двигатели выключены и есть требование для работы гидравлических систем самолета. В режиме 3 двигатель BV полностью открыт, что соответствует максимальному уровню нагрузки на турбину и температуре выхлопных газов. Этот режим работы выбирается, когда для запуска главных двигателей самолета требуется пневматическая энергия, за счет подачи воздуха под высоким давлением, достаточного для вращения лопаток турбины, пока не будет достигнута автономная работа на мощности.

Пьезоэлектрический акселерометр с чувствительностью 10 мВ / г был установлен на опорной конструкции двигателя с частотой дискретизации 2 кГц ( f _с = 2 кГц). Продолжительность каждого теста составляла 110 с. В качестве топлива рассматривались смеси Jet-A1 и биотоплива для реактивных двигателей [гидрообработанные сложные эфиры и жирные кислоты (HEFA)]. Удельная плотность энергии HEFA составляет 44 МДж / кг, и, таким образом, он может выделять такое же количество энергии для данного количества топлива, что и Jet-A1. Массовые доли биотоплива, смешанного с Jet-A1 в этом исследовании, следующие: 0, 2, 10, 15, 25, 30, 50, 75, 85, 95 и 100%.Для сравнения также рассматривались дополнительные смеси топлив: 50% сжиженный природный газ (СПГ) + 50% Jet-A1, 100% СПГ и 11% толуол + 89% растворитель Banner.

На рисунках 2 и 3 показаны примеры нормированных ускорений во временной и частотной областях соответственно. Нормализация была выполнена путем деления каждой амплитуды ускорения во временной и частотной областях на соответствующее максимальное значение, то есть нормализованную единицу, так что все амплитуды, соответствующие различным наборам данных, изменяются в одном диапазоне [0, 1].Во временной области показано, что существуют определенные условия двигателя, например, 85% Jet-A1 + 15% HEFA, в которых вибрационные характеристики двигателя, работающего в установившемся режиме, демонстрируют сильные нестационарные тенденции. В то время как для таких условий, как 50% Jet-A1 + 50% HEFA, вибрационные отклики содержат периодические характеристики, что более четко видно на графиках в частотной области. Обратите внимание, что фактическое зарегистрированное время разгона для каждого состояния двигателя составляло 110 с, но для ясности на графиках показаны только 2 с.На Рисунке 3 показано, что при условии 85% Jet-A1 + 15% HEFA двигатель испытывает самый высокий общий уровень амплитуды во всем спектре в режимах 1 и 3. В то время как в режиме 2 двигатель работает при условии 50% Jet-A1 + 50% HEFA демонстрирует самые высокие уровни вибрации во всем частотном спектре. Вышеизложенное демонстрирует, что изменение соотношения воздух-топливо изменяет статистические свойства наборов данных и, следовательно, частотную характеристику двигателя для различных топливных смесей.Для режимов 1 и 3 при условии 50% Jet-A1 + 50% HEFA присутствует сильная частотная составляющая на 100 Гц. Сильная периодичность также присутствует для 100% СПГ с той же частотой. Следовательно, глядя на данные, мы можем выделить две основные группы, то есть те, которые содержат некоторые сильные периодические шаблоны, и те, которые не разделяют эту характеристику и в этом случае могут быть нестационарными, если соответствующая оценка их статистики во временной области подтверждает тот.

Рисунок 2 .Нормализованные временные графики вибрации двигателя для четырех различных топливных смесей при самом высоком тестируемом соотношении воздух-топливо.

Рисунок 3 . Графики нормализованной спектральной плотности мощности вибрации двигателя на пяти различных топливных смесях от самого низкого (режим 1) до самого высокого (режим 3) отношения воздух-топливо.

Трудно дать теоретическое объяснение физического контекста полученных вибрационных откликов без действительной основанной на физике модели, которая может предсказать вибрационный отклик двигателя как результат системы, в которой, помимо контекста динамики, сложная термохимическая, и имеют место другие физические процессы.В то же время природа проблемы моделирования / мониторинга, если подходить к ней с точки зрения физики, предполагает, что проверка модели будет серьезной проблемой. Выбор стратегии, основанной на данных, решает эту проблему, поскольку исследуемая система (двигатель в работе) рассматривается как черный ящик.

Методы анализа данных

Как упоминалось в разделе «ВВЕДЕНИЕ», в этом исследовании используется структура машинного обучения для мониторинга состояния двигателей с использованием данных о вибрации.Это означает, что для разработки методологии, которая может использоваться для обнаружения новых моделей двигателя на основе данных о вибрации, следует предпринять три последовательных шага после этапа сбора данных. Это, в частности, предварительная обработка данных, извлечение признаков и разработка модели обучения нормальному поведению двигателя (Тарассенко и др., 2009).

Предварительная обработка исходных данных о вибрации

Чтобы улучшить способность схемы обнаружения новизны определять, принадлежит ли точка данных к классу 𝒩 или 𝒜, при удалении абсолютных значений перед извлечением признаков был применен метод предварительной обработки.Как было показано в Clifton et al. (2006), этот шаг имеет большое значение для системы обнаружения новинок, поскольку позволяет лучше различать два разных класса. Масштабирование и нормализация также важны для большинства систем мониторинга состояния для устранения любых нежелательных экологических или эксплуатационных эффектов в анализируемых данных (He et al., 2009). В качестве метода предварительной обработки он рассматривается для повышения производительности одноклассных классификаторов (Juszczak et al., 2002): это очень хорошая практика при работе с алгоритмами машинного обучения для масштабирования анализируемых данных, поскольку большие диапазоны абсолютных значений функций будут иметь тенденцию преобладать над теми, которые имеют меньшие диапазоны значений (Hsu et al., 2016). В этом исследовании цель состоит в том, чтобы увеличить разницу в амплитуде вибрации для классов 𝒩 и 𝒜, и поэтому данные выбираются для масштабирования в различных испытанных условиях (а не во времени).

Сначала была построена матрица размеров D X = { x ₁ ,…, x _N } класса 𝒩.Индекс i = 1,…, N используется для обозначения различных условий, которые были включены в эту матрицу, то есть различных топливных смесей в трех режимах работы. Отдельная матрица Z = { z ₁ ,…, z _L }, содержащая данные для обоих классов (25% условий двигателя относятся к классу 𝒜), была также построен. Эта предварительная маркировка двух классов была выполнена путем сборки матрицы со всеми необработанными данными (до предварительной обработки) и уменьшения ее размеров до 2 с помощью анализа главных компонентов (PCA) для ее визуализации.Наблюдаемым точкам данных в двумерном пространстве PCA, которые были далеки от остальных данных, была присвоена метка класса 𝒜, а всем остальным — метка класса. Например, условию 85% Jet-A1 + 15% HEFA в Режиме 1 было присвоено прежнее обозначение.

Масштабированный вариант матрицы X получился следующим образом:

χi = xi − x¯ ∕ σx, (1)

, где вектор среднего определяется как x¯ = 1N∑Ni = 1 xi, а вектор дисперсии как σx = 1N∑Ni = 1 (xi − x¯) 2.Теперь масштабированная версия матрицы Z с индексом, обозначающим различные условия в матрице j = 1,…, L , содержащая данные из обоих классов, была получена следующим образом:

ζj = zj − x¯ ∕ σx. (2)

Функция извлечения предварительно обработанных необработанных данных о вибрации

Процесс извлечения признаков следует после этапа предварительной обработки данных. Для этого выбрано преобразование вейвлет-пакета (WPT). Все коэффициенты преобразований шкалы времени используются в качестве входных данных для алгоритма, который подходит для линейного или нелинейного уменьшения размерности, анализа основных компонентов ядра (KPCA).Эта процедура преобразования данных с использованием вейвлет-баз и проекции на набор осей меньшей размерности выгодна в случаях, когда нет информации о характеристических частотах контролируемой механической системы.

Вейвлет-коэффициенты

Цель этого этапа — получить набор отличительных признаков из предварительно обработанных необработанных данных о вибрации, чтобы затем обучающая модель могла легко разделить два класса условий двигателя.Ранее на Рисунке 3 было показано, что существует определенная степень несходства между условиями двигателя в отношении их амплитуд в частотном спектре. Следовательно, чтобы получить информацию как во временной, так и в частотной области из данных, необходимо использовать частотно-временные методы. Вейвлет-преобразование позволяет включать информацию о времени для частотных компонентов. Следовательно, нестационарные события можно анализировать с помощью вейвлет-преобразования. Ожидается, что данные можно будет описать более эффективно, чем с помощью методов на основе Фурье, где любые нестационарные области стохастического сигнала не локализованы во времени.Выбор частотно-временного подхода, такого как вейвлет-преобразование, может быть лучшим вариантом для типа данных, обрабатываемых в этом исследовании. Простейший метод частотно-временного анализа, кратковременное преобразование Фурье, не будет оптимальным вариантом, поскольку размер окна фиксирован. Следовательно, существуют ограничения разрешения, определяемые принципом неопределенности, которые могут затруднять анализ потенциально нестационарных частей сигнала.

Вейвлет-преобразование решает проблему фиксированного размера окна за счет использования коротких окон для анализа высокочастотных компонентов (хорошая временная локализация) и больших окон для низкочастотных компонентов (хорошая частотная локализация).Пример вейвлет-преобразований, применяемых для приложений мониторинга состояния, был представлен в Fan and Zuo (2006). Существует несколько других частотных методов для приложений мониторинга, например, разложение по эмпирическим модам, как представлено в работе Antoniadou et al. (2015), которые могут предложить аналогичные преимущества вейвлет-преобразованию. Однако в данной работе выбран последний метод, потому что он очень прост в реализации и является проверенной концепцией, которая математически хорошо обоснована. Изначально вейвлет-преобразование было разработано для построения карты параметров расширения и трансляции.Расширение представляет масштаб с ≈ 1 / частота, а перенос τ относится к операции сдвига во времени. Рассмотрим состояние двигателя n th χ _n ( t ), где t = {0,…, 110} s. Соответствующие вейвлет-коэффициенты можно рассчитать следующим образом:

c (s, τ) = ∫χn (t) ψs, τ (t) dt. (3)

Функция ψ _{s , τ} представляет семейство высокочастотных функций кратковременной продолжительности и низкой частоты большой продолжительности функции прототипа функции ψ.Математически это определяется следующим образом:

ψs, τ (t) = 1 | s | ψt − τs, s> 0, (4)

, когда с с > 1 функция-прототип становится больше во времени, что соответствует высокочастотным и низкочастотным характеристикам, соответственно.

В Маллат (1999) дискретная версия уравнения. 3, а именно дискретное вейвлет-преобразование (DWT), было разработано как эффективная альтернатива непрерывному вейвлет-преобразованию.В частности, было доказано, что при использовании шкалы j и трансляции k , которые принимают только значения степеней двойки вместо промежуточных, все же может быть получено удовлетворительное частотно-временное разрешение. Это называется диадической сеткой вейвлет-коэффициентов, и функция, представленная в формуле. 4, становится набором ортогональных вейвлет-функций:

ψj, k (t) = 2j ∕ 2ψ2jt − k, (5)

, так что избыточность устраняется с использованием этого набора ортогональных вейвлетных баз, как более подробно описано в Farrar and Worden (2012).

На практике коэффициенты DWT получаются путем свертки χ _n ( t ) с набором полуполосных (содержащих половину частотного содержания сигнала) фильтров нижних и верхних частот (Маллат, 1989). Это дает соответствующие поддиапазоны низких и высоких частот сигнала. Затем подполоса нижних частот подвергается дальнейшему разложению по той же схеме после прореживания на 2 (половина отсчетов может быть исключена по критерию Найквиста), в то время как подполоса верхних частот не анализируется дополнительно.Сигнал после первого уровня разложения будет иметь вдвое большее разрешение по частоте, чем исходный сигнал, поскольку он имеет половину числа точек. Эта итерационная процедура известна как двухканальное подполосное кодирование (Mallat, 1999) и обеспечивает эффективный способ вычисления вейвлет-коэффициентов с использованием сопряженных квадратурных зеркальных фильтров. Из-за плохого частотного разрешения DWT на высоких частотах для преобразования функций был выбран WPT. Разница между DWT и WPT заключается в том, что последний дополнительно разбивает поддиапазон более высоких частот.Принципиальная схема WPT до 2 уровней декомпозиции показана на рисунке 4. Сначала сигнал χ _n ( t ) сворачивается с помощью полуполосного фильтра нижних частот h ( k ) и фильтр верхних частот g ( k ). Это дает вектор вейвлет-коэффициентов c _1,1 , который фиксирует низкочастотную составляющую [0, f _s /4] Гц и вектор вейвлет-коэффициентов c _{2 , 1} , который захватывает высокочастотный контент ( f _s /4, f _s /2) Гц.После j уровней декомпозиции коэффициенты на выходе каждого фильтра собираются в матрицу c _n , что соответствует состоянию n th двигателя χ _n . Обратите внимание, что каждый коэффициент имеет половину количества выборок, например χ _n ( t ) на первом уровне разложения. В этом исследовании четыре уровня декомпозиции рассматривались как промежуточное значение.Вышеупомянутый процесс был повторен для остальных условий двигателя N -1, чтобы получить матрицу коэффициентов C = { c ₁ ,…, c _N }.

Рисунок 4 . Принципиальная схема преобразования вейвлет-пакетов до уровня разложения 2. На каждом уровне частотный спектр разбивается на 2 поддиапазона ^j .

Низкоразмерные элементы

Матрица вейвлет-коэффициентов C представляет собой матрицу размерности D , т.е.е., он имеет те же размеры, что и исходный набор данных. Следовательно, элементы меньшего размера необходимы для предотвращения переобучения, которое связано с элементами большего размера. В этом исследовании PCA изначально использовался для целей визуализации, например, для наблюдения возможных кластеров точек данных для матрицы X . Его нелинейный эквивалент, KPCA, используется для уменьшения размерности, чтобы можно было зафиксировать нелинейные отношения между элементами.

Анализ главных компонентов — это метод, который можно использовать для получения нового набора ортогональных осей, которые показывают наибольшую дисперсию данных.Следовательно, C было спроецировано на 2 ортогональные оси из своего исходного размера D . В PCA собственные значения λ _k и собственные векторы u _k ковариационной матрицы S _C из C получаются путем решения следующего собственного значения проблема:

, где k = 1,…, D . Собственный вектор u ₁ , соответствующий наибольшему собственному значению λ ₁ , является первым главным компонентом и так далее.Двумерное представление C , то есть Y (матрица N × k ), может быть вычислено посредством линейной проекции с использованием первых двух собственных векторов:

В Schölkopf et al. (1998), был введен KPCA. Этот метод является обобщенной версией PCA, поскольку скалярные произведения ковариационной матрицы S _C заменены функцией ядра. В KPCA отображение ϕ двух точек данных, например.g., вектор вейвлет-коэффициентов n th и m th c _n и c _m , соответственно, получается с помощью функции ядра RBF следующим образом :

k (cn, см) = ecn − cm22σKPCA2. (8)

Используя приведенное выше отображение, стандартный PCA может быть выполнен в этом новом пространстве признаков ℱ, которое неявно соответствует нелинейному главному компоненту в исходном пространстве. Следовательно, скалярные произведения ковариационной матрицы заменяются ядром RBF следующим образом:

Sϕ = 1 ∕ N∑Ni ϕciTϕci.(9)

Однако указанная выше матрица не может использоваться напрямую для решения проблемы собственных значений, как в уравнении. 6 из-за его большого размера. Следовательно, после некоторой алгебраической обработки собственные значения ℓ _d и собственные векторы ud могут быть вычислены для матрицы ядра 𝒦 (размером N, × N ) вместо ковариационной матрицы (размером ℱ × ℱ). Следовательно, в KPCA вместо этого мы должны найти решение следующей проблемы собственных значений:

, где d = {1,…, N }, поскольку ℱ> N , количество ненулевых собственных значений не может превышать количество рабочих режимов двигателя N (Bishop, 2006).Используя собственные векторы матрицы ядра, можно получить новые проекции Y = y1,…, yN отображенных точек данных вейвлет-коэффициентов ϕ ( c _i ) на нелинейной поверхности. размерности d , которая может варьироваться от 1 до N .

Модель обучения для обнаружения новинок

Поддержка векторных машин в качестве инструмента классификации предлагает гибкость искусственной нейронной сети, преодолевая при этом ее недостатки.Использование функции ядра для расширения исходного входного пространства в пространство более высокой размерности для нахождения гиперплоскости линейного решения тесно связано с добавлением дополнительных слоев в искусственную нейронную сеть. Следовательно, алгоритм может быть адаптирован для лучшего соответствия характеристикам наших данных таким образом, чтобы повысить точность прогнозирования. Учитывая, что OCSVM формирует задачу квадратичной оптимизации, он гарантирует нахождение оптимального решения того места, где должна располагаться гиперплоскость линейного решения (Schölkopf et al., 2001; Шоу-Тейлор и Кристианини, 2004 г.). С другой стороны, можно получить локальный оптимум как решение для нахождения среднеквадратичной ошибки в искусственной нейронной сети с использованием алгоритма спуска градиента.

В качестве обучающих данных используется матрица, полученная из KPCA, то есть 𝒴 . Принимая во внимание, что низкоразмерные представления данных тестирования (из матрицы Z ) получают, следуя тому же преобразованию признаков, выбору и т. Д.Методология OCSVM позволяет использовать функцию ядра RBF, которая отображает точки данных в 𝒴 таким же образом, как и в KPCA. Однако формулировка в наборе инструментов LIBSVM (Chang and Lin, 2011) немного отличается для ядра RBF. Учитывая две точки данных yn и ym, ядро ​​RBF, реализованное в OCSVM, определяется следующим образом:

k (yn, ym) = e − γyn − ym2. (11)

После того, как обучающие данные отображаются через ядро ​​RBF, источник в этом новом пространстве функций рассматривается как единственный член данных класса 𝒜.Затем определяется гиперплоскость, так что отображаемые обучающие данные отделяются от исходной точки с максимальным запасом. Гиперплоскость в отображенном пространстве признаков расположена в точке ϕ (yi) −ρ = 0, где ρ — общая переменная поля. Чтобы отделить все отображенные точки данных от начала координат, необходимо решить следующую квадратичную программу:

minw, ρ, ξ 0.5wTw + 1υN∑iξi − ρ при условии: (wϕ (yi)) ≥ρ − ξi, i = 1,…, N, ξi≥0, (12)

, где w — вектор нормали к гиперплоскости, а ξ называются резервными переменными и используются для количественной оценки ошибки неправильной классификации каждой точки данных отдельно в соответствии с расстоянием от соответствующей границы.Значение ν, которое было упомянуто ранее, отвечает за штрафные санкции за неправильную классификацию и ограничено ν ∈ (0, 1]. Решение, которое определяет, принадлежит ли невидимая точка данных y ∗, то есть из матрицы Z , какому-либо из два класса условий двигателя могут быть созданы с помощью следующей функции:

gy ∗ = sgnwϕy ∗ −ρ. (13)

Для точки данных из класса 𝒜 gy ∗> 0, в противном случае gy ∗ ≤0. Обратите внимание, что из практических соображений проблема оптимизации в формуле. 12 решается введением множителей Лагранжа.Одна из основных причин этого заключается в том, что это позволяет записывать оптимизацию в терминах скалярных произведений. Это приводит к «уловке с ядром», которая позволяет обобщить проблему на нелинейный случай с помощью подходящих ядерных функций, таких как ядро ​​RBF, которое используется в этом исследовании.

Результаты и обсуждение

В этой работе ядро ​​RBF использовалось для отображения точек данных OCSVM в бесконечномерное пространство признаков, где может быть достигнуто линейное разделение двух классов.Применив OCSVM к нашей проблеме, мы получили широкий спектр формулировок функций ядра для использования. Ядро RBF — одно из самых популярных, поскольку оно подразумевает общие свойства гладкости для набора данных, предположение, которое обычно принимается во многих реальных приложениях, как более подробно обсуждается в Scholkopf and Smola (2001). Ядро RBF имеет два параметра, которые необходимо определить, чтобы адаптировать алгоритм OCSVM к характеристикам сигналов вибрации, ожидаемых в этом исследовании.Эти параметры называются шириной ядра γ и штрафом за оптимизацию ν. Наблюдая за изменением точности проверки α _ν OCSVM на мелкой сетке значений γ и ν, можно было определить комбинацию этих двух значений, которая максимизирует α _ν . Значения γ и ν были выбраны с шагом в 2, как это было предложено в практическом исследовании Hsu et al. (2016). Точность проверки рассчитывалась с использованием 10-кратной схемы перекрестной проверки для предотвращения переобучения данных.Как более подробно описано в Bishop (2006), схема перекрестной проверки используется, когда объем обучающих данных невелик. В таких случаях недостаточно данных, чтобы разделить их на наборы данных для обучения и проверки, чтобы исследовать надежность и точность модели. В нашем исследовании количество режимов работы двигателя относительно невелико по сравнению с количеством измерений в матрице характеристик. Таким образом, схема перекрестной проверки — возможное решение проблемы недостаточного количества обучающих данных.Более подробно, в этой схеме данные сначала делятся на 10 подмножеств одинакового размера. Каждое подмножество используется для последовательного тестирования эффективности классификации модели (которая была обучена на других девяти подмножествах). Каждая точка данных в наборе данных для обучения вибрации прогнозируется один раз. Следовательно, точность перекрестной проверки — это процент правильных классификаций в наборе данных виброобучения.

На рисунке 5 мы представляем два типичных результата изменения точности перекрестной проверки на сеточном пространстве параметров γ и ν.Эти результаты соответствуют точности перекрестной проверки, полученной при обучении OCSVM с помощью набора данных вейвлет-коэффициентов после «сжатия» с помощью PCA (правый график) и KPCA (левый график). Точность перекрестной проверки оценивалась с помощью ν. в диапазоне 0,001 и 0,8 с шагом 0,002, тогда как γ находится в диапазоне 2 ⁻²⁵ и 2 ²⁵ с шагом 2. Выбор этого сеточного пространства для ν был сделан на том факте, что этот параметр ограничен, так как представляет собой верхнюю границу доли обучающих данных, которые лежат не по ту сторону гиперплоскости [см. более подробную информацию в Schölkopf et al.(2001)]. В случае γ не было верхнего и нижнего пределов, поэтому был выбран относительно более широкий диапазон. В обоих случаях шаги были определены таким образом, чтобы вычислительные затраты оставались на разумном уровне. Как правило, для определения подходящих границ и размера шага при выборе размера сетки использовалась процедура проб и ошибок для данного набора данных о вибрации. Как видно из контурных графиков, поиск по сетке позволяет нам получить высокую точность проверки, когда выбрана соответствующая комбинация γ и ν.Для нашего набора данных эту комбинацию можно найти в основном при относительно низких значениях γ. По мере уменьшения значения γ попарные расстояния между точками обучающих данных становятся менее важными. Следовательно, граница принятия решения OCSVM становится более ограниченной, а его форма менее гибкой из-за того, что он будет придавать меньшее значение этим расстояниям. Обратите внимание, что примеры на рисунке 5 были созданы с d = 100 для 𝒴 и D = 100 для Y (см. Низкоразмерные элементы), с уровнем декомпозиции WPT j = 4 и (только для KPCA) ширина ядра γ _KPCA = 1.Очевидно, что при использовании KPCA с ядром RBF можно получить максимальную точность перекрестной проверки около 95%, в то время как со стандартным PCA точность классификации OCSVM относительно низка, то есть около 60%. Следовательно, есть преимущество использования KPCA перед стандартным PCA для конкретного набора данных, который используется в этом исследовании. Это ожидается, поскольку KPCA обнаруживает нелинейные отношения, существующие между элементами данных.

Рисунок 5 . Изменение точности перекрестной проверки с γ и ν для одноклассной опорной векторной машинной модели обучения с использованием функций анализа главных компонентов ядра (слева) и стандартного анализа главных компонент.

Метод поиска по сетке для нахождения «подходящих» значений для γ и ν дает преимущество, когда другие параметры, например, ширина ядра KCPA σ _KPCA , не могут быть легко определены. Можно продемонстрировать, что α _ν можно значительно увеличить по сравнению с фиксированным набором значений по умолчанию. Набор инструментов LIBSVM предлагает значения по умолчанию: ν = d ⁻¹ и γ = 0,5. На рисунке 6 точность проверки показана для различных значений ширины ядра KPCA σ _KPCA и количества главных компонентов d для случаев, когда γ и ν были выбраны из поиска по сетке и когда им были присвоены фиксированные значения по умолчанию. .Из этих двух графиков ясно, что параметры OCSVM γ и ν можно «настроить» так, чтобы точность проверки могла быть максимальной, независимо от выбора d и σ _KPCA . Это наблюдение демонстрирует силу методов на основе ядра в целом, поскольку ширина ядра может иметь большое влияние на описание обучающих данных. В большинстве случаев выбор этого параметра необходим только для получения подходящей адаптации наших алгоритмов (Shawe-Taylor and Cristianini, 2004).Как можно видеть, выбирая каждый раз разные комбинации ν и γ (в соответствии с процедурой поиска по сетке), максимально достижимая точность проверки всегда близка к 100%. Это значительное улучшение по сравнению с соответствующей точностью, которую можно получить с использованием фиксированного набора значений. Более того, это демонстрирует, что «настроить» машину опорных векторов не так сложно, поскольку необходимо найти только два параметра, и это можно сделать с помощью процедуры поиска по сетке. Напротив, искусственная нейронная сеть требует, чтобы ее архитектура, скорость обучения градиентного спуска, среди других параметров, были указаны заранее, что значительно усложняет проблему «настройки» алгоритма.Тем не менее, самой сильной стороной машины опорных векторов является ее способность получить глобальное оптимальное решение для любого выбранного значения γ и ν, которое мы указали, так что ее обобщающая способность всегда максимальна.

Рисунок 6 . Различия в точности перекрестной проверки для разных d и σ _KPCA для выбранных (слева) и фиксированных (справа) значений γ и ν.

Как было показано ранее на Рисунке 5, выбранное значение γ (из поиска по сетке) было очень маленьким.Это верно для каждого исследованного случая, например, для разных значений d . По этой причине можно сказать, что алгоритм лучше обобщается с менее сложной границей решения. Однако «настройка» OCSVM оказывается сложной задачей, поскольку точность прогнозирования (с использованием набора тестовых данных) ниже ожидаемой, то есть менее 50%. Большинство ошибок произошло для точек данных, ошибочно принятых как происходящие из класса 𝒜, тогда как в действительности они принадлежали классу. Вероятные причины неудовлетворительной работы OCSVM на наборе тестовых данных обсуждаются ниже:

• Этап проверки OCSVM оценивает только ошибки ошибочного отклонения данных из класса 𝒩.Можно предположить, что причина такой неправильной классификации может быть связана с ошибками в вычислении параметров γ и ν, оцененных с помощью сеточного поиска. Что касается выбора γ и ν, было несколько попыток решить эту проблему другими способами, чем поиск по сетке. Например, в Xiao et al. (2015) авторы представили методы выбора ширины ядра γ OCSVM с помощью того, что они называют «геометрическими» вычислениями.

• Из-за характера данных существует много различий между условиями двигателя, а также внутри каждого условия.Следовательно, сложно разработать модель с использованием данных класса 𝒩, если характеристики каждого условия в пределах одного класса различны. Выбор подходящих обучающих данных является важным фактором для применяемых подходов, основанных на данных. В этом случае следует выбрать представление данных в областях с соответствующим временным разрешением, а выбранные алгоритмы распознавания образов должны потенциально не зависеть от обучения, а работать в адаптивной структуре.

Заключение

В этом исследовании мы использовали схему обнаружения новинок для мониторинга состояния двигателей с использованием передовых методов машинного обучения, выбранных в соответствии с типом анализируемых данных.Это привело к лучшему описанию основных проблем, с которыми можно столкнуться при следовании стратегии на основе данных для мониторинга данных о вибрации двигателя. Схема обнаружения новизны была выбрана вместо классификационного подхода из-за отсутствия обучающих данных для различных состояний работы двигателя, с которыми обычно сталкиваются в реальных приложениях. Следующие шаги были рассмотрены как фундаментальные, оптимальные методы анализа данных. Модель нормальности, основанная на OCSVM, которая была обучена распознавать сценарии нормальных и новых условий двигателя, была разработана с использованием данных двигателя, работающего в условиях, в которых двигатель испытывал низкие амплитуды вибрации.Выбор этого метода машинного обучения для обнаружения новинок был обусловлен тем фактом, что проблема распознавания образов основана на создании ядра, которое предлагает универсальность, которая может поддерживать анализ более сложных данных. В этом случае, согласно анализу, представленному в исследовании, сильное влияние штрафного параметра ν и ширины ядра γ OCSVM может повлиять на точность проверки. Используя поиск по мелкой сетке для выбора параметров ν и γ, можно достичь точности проверки, близкой к 100%, как показано в результатах.Это значительное преимущество, когда нет методологии выбора других параметров, таких как количество основных компонентов, используемых в KPCA. Это также подчеркивает одну из сильных сторон основанных на ядре методов, а именно адаптируемость к заданному набору данных. В частности, было доказано, что ядро ​​RBF очень эффективно описывает данные, поступающие от движка, путем выбора подходящего значения ширины ядра γ.

Ограничения подходов к обнаружению новизны в целом и того, что обсуждается, в частности, в этом исследовании, включают следующие моменты: обучающие данные о вибрации, которые могут быть получены от двигателей, и ограничения конкретных рассмотренных алгоритмов.Для последнего обсуждался выбор ν и γ, и для расчета точности классификации с использованием выбранных ν и γ из поиска по сетке использовался независимый набор тестовых данных, который включал 25% условий из нового поведения двигателя. Несмотря на то, что результаты валидации были исключительно хорошими, и модель, казалось, не превышала данные, поскольку граница принятия решения была гладкой, а количество опорных векторов относительно невелико, точность классификации с использованием набора тестовых данных была неудовлетворительной.Наибольшие ошибки возникали при неверном прогнозировании точек данных на основе условий исправного двигателя как новизны. Несколько возможных причин того, почему это может произойти, были упомянуты в предыдущей части исследования.

Для улучшения схемы обнаружения новизны, представленной в этом исследовании, требуется дальнейшая работа по обучению OCSVM соответствующим образом. Например, вместо выбора ν и γ с использованием подхода поиска по сетке можно использовать методы, которые вычисляют эти параметры более принципиальным образом с использованием простой геометрии.Кроме того, функции вейвлет-преобразования, извлеченные из данных, могли привести к большому разбросу точек данных в пространстве признаков из-за того, что существует высокая изменчивость сигналов от каждого состояния двигателя. Один из способов решения этой проблемы — изучить новый набор потребностей в функциях, которые могут обеспечить лучшую кластеризацию точек данных из условий исправного двигателя, чтобы в пространстве функций можно было сформировать меньшую и более жесткую границу принятия решения. Другим предложением может быть разработка новых алгоритмов машинного обучения, которые не зависят от качества обучающих данных, а могут скорее адаптивно классифицировать различные состояния / условия работы исследуемого двигателя.

Авторские взносы

IM провел анализ машинного обучения и является первым автором исследования. ИА курировал работу (замысел и обзор). Б.К. способствовал проведению экспериментов и сбору проанализированных данных. Все авторы несут ответственность за содержание работы.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников Центра низкоуглеродного сжигания при Университете Шеффилда за проведение экспериментов с газотурбинным двигателем и за любезно предоставленные данные о вибрации двигателя, использованные в этом исследовании.

Финансирование

IM — аспирант, получивший стипендию от факультета машиностроения Университета Шеффилда. Все авторы выражают признательность за финансирование, полученное от гранта Совета по инженерным и физическим исследованиям (EPSRC) EP / N018427 / 1.

Список литературы

Антониаду, И., Мэнсон, Г., Сташевски, В. Дж., Барщ, Т., Ворден, К. (2015). Подход частотно-временного анализа для мониторинга состояния редуктора ветряной турбины в условиях изменяющейся нагрузки. мех. Syst. Сигнальный процесс. 64, 188–216. DOI: 10.1016 / j.ymssp.2015.03.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бишоп, К. (2006). Распознавание образов и машинное обучение (информатика и статистика) .Нью-Йорк: Спрингер.

Google Scholar

Блейки, С., Рай, Л., и Уилсон, В. (2011). Альтернативные виды топлива для авиационных газовых турбин: обзор. Proc. Комбас. Inst. 33, 2863–2885. DOI: 10.1016 / j.proci.2010.09.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, К., Линь, К. (2011). LIBSVM: библиотека для поддержки векторных машин. ACM Trans. Intell. Syst. Technol. 2, 1–27. DOI: 10.1145 / 1961189.1961199

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клифтон, Д.А., Баннистер П. Р., Тарассенко Л. (2006). «Применение интуитивно понятной метрики новизны для мониторинга состояния реактивного двигателя», в «Успехи в прикладном искусственном интеллекте» , ред. М. Али и Р. Дапуаньи (Берлин, Гейдельберг: Springer), 1149–1158.

Google Scholar

Клифтон, Л., Клифтон, Д. А., Чжан, Ю., Уоткинсон, П., Тарассенко, Л., Инь, Х. (2014). Вероятностное обнаружение новизны с машинами опорных векторов. IEEE Trans. Надежный. 455–467. DOI: 10.1109 / TR.2014.2315911

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Клифтон, Л., Инь, Х., Клифтон, Д., и Чжан, Ю. (2007). «Обнаружение новизны комбинированного вектора поддержки для данных многоканального горения», Международная конференция IEEE по сетям, зондированию и управлению , Лондон.

Google Scholar

Фан, X., и Цзо, М. (2006). Обнаружение неисправностей коробки передач с использованием преобразования Гильберта и вейвлет-пакетов. мех. Syst. Сигнальный процесс. 20, 966–982.DOI: 10.1016 / j.ymssp.2005.08.032

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фаррар, К., Уорден, К. (2012). Структурный мониторинг работоспособности: перспектива машинного обучения . Чичестер: Джон Уайли и сыновья.

Google Scholar

Hayton, P., Schölkopf, B., Tarassenko, L., and Anuzis, P. (2000). «Обнаружение новизны опорных векторов применительно к спектрам вибрации реактивного двигателя», на ежегодной конференции по системам обработки нейронной информации (NIPS) , Денвер.

Google Scholar

Хе, К., Ян, Р., Конг, Ф., и Ду, Р. (2009). Мониторинг состояния машин с использованием представления главных компонентов. мех. Syst. Сигнальный процесс. 23, 446–466. DOI: 10.1016 / j.ymssp.2008.03.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй, К., Чанг, К., Линь, К. (2016). Практическое руководство по классификации опорных векторов . Тайбэй: Департамент компьютерных наук, Национальный университет Тайваня.

Google Scholar

Ющак, П., Tax, D., и Duin, R. P. W. (2002). «Масштабирование функций в описании векторных данных поддержки», в Proc. ASCI , Lochem.

Google Scholar

Кинг, С., Баннистер, П. Р., Клифтон, Д. А., и Тарасенко, Л. (2009). Вероятностный подход к мониторингу состояния авиакосмических двигателей. Proc. Inst. Мех. Англ. G J. Aerosp. Англ. 223, 533–541. DOI: 10.1243 / 09544100JAERO414

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маллат, С. (1989). Теория разложения сигнала с разным разрешением: вейвлет-представление. IEEE Trans. Pattern Anal. Мах. Intell. 11, 674–693. DOI: 10.1109 / 34.192463

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маллат, С. (1999). Вейвлет-тур по обработке сигналов (вейвлет-анализ и его приложения) . Нью-Йорк: Academic Press.

Google Scholar

Пиментел, М., Клифтон, Д., Клифтон, Л., и Тарассенко, Л. (2014). Обзор обнаружения новинок. Обработка сигналов 99, 215–249. DOI: 10.1016 / j.sigpro.2013.12.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шёлкопф, Б., Платт, Дж. К., Шоу-Тейлор, Дж., Смола, А. Дж., И Уильямсон, Р. К. (2001). Оценка поддержки многомерного распределения. Neural Comput. 10, 1443–1471. DOI: 10.1162 / 089976601750264965

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шолкопф Б. и Смола А. (2001). Обучение с помощью ядер: машины опорных векторов, регуляризация, оптимизация и не только .Кембридж: MIT Press.

Google Scholar

Шёлкопф Б., Смола А. и Мюллер К. (1998). Нелинейный компонентный анализ как проблема собственных значений ядра. Neural Comput. 10, 1299–1319. DOI: 10.1162 / 089976698300017467

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шоу-Тейлор, Дж., И Кристианини, Н. (2004). Методы ядра для анализа паттернов . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.

Google Scholar

Тарасенко, Л., Клифтон, Д. А., Баннистер, П. Р., Кинг, С., Кинг, Д. (2009). «Глава 35 — Обнаружение новизны», в энциклопедии структурного мониторинга здоровья , ред. К. Боллер, Ф. Чанг и Ю. Фуджино (Барселона: John Wiley & Sons).

Google Scholar

Газотурбинные двигатели — PetroWiki

Размер газовых турбин варьируется от микротурбин мощностью 250 000 л.с. (190 кВт). На этой странице рассказывается о газотурбинном двигателе, различиях между типами турбин и элементах, которые следует учитывать при их использовании в качестве первичного двигателя.

Процесс

Как показано на рис. 1 , и рис. 2 , «открытый» цикл Брайтона является термодинамическим циклом для всех газовых турбин. Этот цикл состоит из:

• Адиабатическое сжатие
• Нагрев постоянного давления
• Адиабатическое расширение

Газовая турбина состоит из следующих компонентов:

• Воздушный компрессор
• Камера сгорания
• Силовая турбина, вырабатывающая мощность для привода воздушного компрессора и выходного вала

• Фиг.1 — Упрощенная схема газовой турбины простого цикла.

• Рис. 2 — Типичный «открытый» цикл Брайтона для газовых турбин.

Воздух поступает на вход компрессора в условиях окружающей среды (точка 1), сжимается (точка 2) и проходит через систему сгорания, где он смешивается с топливом и «сжигается» до максимальной температуры цикла (точка 3). Нагретый воздух расширяется через секцию турбины газогенератора (между точками 3 и 5), где энергия рабочего тела извлекается для выработки энергии для привода компрессора, и расширяется через силовую турбину для привода нагрузки (точка 7). .Затем воздух выбрасывается в атмосферу. Система запуска используется, чтобы довести воздушный компрессор до скорости, достаточной для подачи воздуха для сгорания с топливом, впрыскиваемым в камеру сгорания. Цикл сгорания турбины с непрерывным горением в сочетании с непрерывным вращением ротора турбины обеспечивает практически безвибрационную работу, а также меньшее количество движущихся частей и точек износа по сравнению с другими первичными двигателями.

Проектное рассмотрение и эксплуатация

Максимальная температура цикла, TRIT

Выходная мощность газовой турбины может быть увеличена за счет увеличения максимальной температуры цикла.Максимальная температура цикла обозначается TRIT, что означает температуру на входе в ротор турбины. API 616 определяет номинальную температуру горения как рассчитанную поставщиком температуру на входе в турбину (TIT) непосредственно перед ротором первой ступени турбины для непрерывной работы при номинальной выходной мощности. TRIT рассчитывается непосредственно перед ротором первой ступени турбины и включает расчетные эффекты охлаждающего воздуха и падения температуры на лопатках статора первой ступени.

Воздушный поток

Выходная мощность газовой турбины также может быть увеличена за счет увеличения массового расхода воздуха, проходящего через газовую турбину.Геометрия газовой турбины, в частности компрессора, и скорость компрессора определяют основной массовый расход воздуха. Увеличение потока требует увеличения скорости, которая ограничена максимальной скоростью непрерывного хода любой конкретной конструкции. При заданной скорости увеличение плотности входящего воздуха увеличивает массовый расход воздуха. Плотность поступающего воздуха увеличивается прямо пропорционально атмосферному давлению и обратно пропорционально температуре окружающей среды.

Основными параметрами, влияющими на выходную мощность, являются скорость и TRIT для любой данной механической / аэродинамической конструкции.Увеличение любого из этих параметров увеличивает выходную мощность газовой турбины. Скорость и температура могут определяться желаемой выходной мощностью и теплотой в пределах ограничений, налагаемых следующими факторами:

• Срок службы компонентов
• Стоимость
• Техническая возможность

Ограничение скорости

По мере увеличения скорости газовой турбины центробежные силы на вращающиеся компоненты увеличиваются. Эти силы увеличивают нагрузку на вращающиеся компоненты, особенно на следующие:

• Диски
• Лезвия
• Крепление лезвия к диску

Материалы компонентов имеют пределы напряжений, которые прямо пропорциональны их пределам скорости, и их нельзя превышать.Таким образом, максимальная непрерывная скорость вращающегося элемента зависит от:

• Геометрия ротора
• Свойства материала компонента
• Расчетные факторы безопасности

Это наивысшая допустимая скорость для непрерывной работы.

Температурные ограничения

Одним из способов увеличения выходной мощности является увеличение расхода топлива и, следовательно, TRIT. По мере увеличения TRIT компоненты горячей секции работают при более высоких температурах металла, что сокращает время между проверками (TBI) газовой турбины.Поскольку срок службы материалов горячей секции ограничен нагрузкой при высокой температуре, существуют ограничения на максимальные температуры для данного значения TBI. Срок службы материала быстро уменьшается при повышении температуры. TBI — это функция времени в TRIT и скорости изменения TRIT во время переходных процессов, таких как запуск. Предел ползучести или разрушения при напряжении определяется свойствами материала в зависимости от уровня их напряжения и рабочей температуры.

Рейтинговый балл

Номинальный балл может быть установлен для определения производительности газовой турбины для определенных условий окружающей среды, потерь в воздуховоде, топлива и т. Д.

Международная организация по стандартизации определяет свои стандартные условия как:

• 59 ° F
• 1,013 бар
• Относительная влажность 60% без потерь

Это стало стандартным рейтингом для сравнения турбин различных производителей и конструкций.

Рейтинг сайта

Рейтинг площадки — это заявление об основных характеристиках газовой турбины в конкретных условиях площадки, включая:

• Температура окружающей среды
• Высота
• Потери давления в воздуховоде
• Контроль выбросов
• Состав топлива
• Коробка отбора мощности вспомогательная
• Компрессор вытяжной
• Уровень выходной мощности

Например, повышение температуры окружающей среды снижает выходную мощность со скоростью, зависящей от конструкции газовой турбины.

Температура воздуха на входе

Рис. 3 связывает следующее с температурой воздуха на входе при оптимальной частоте вращения силовой турбины для примера газовой турбины:

• Выходная мощность
• Расход топлива
• Температура выхлопных газов
• Поток выхлопных газов

• Рис. 3 — Выходная мощность в зависимости от температуры воздуха на входе в компрессор.

Повышение КПД турбины

Простой цикл

Большая часть механической энергии, извлекаемой из газового потока турбиной, требуется для приведения в действие воздушного компрессора, а остальная часть используется для привода механической нагрузки.Энергия газового потока, не извлеченная турбиной, выбрасывается в атмосферу в виде тепла.

Рекуперативный цикл

В рекуперативном цикле, также называемом регенеративным циклом, воздух на выходе из компрессора предварительно нагревается в теплообменнике или рекуператоре, источником тепла которого является выхлоп газовой турбины. Энергия, передаваемая из выхлопных газов, снижает количество энергии, которое должно быть добавлено топливом. На рис. 4 экономия топлива представлена ​​заштрихованной областью от 2 до 2 ‘.В стационарных рекуператорах используются три основных конструкции:

• Пластинчатое ребро
• Кожух и труба
• Первичная поверхность

• Рис. 4 — Рекуперативный цикл.

Комбинированный цикл

Добавление цикла парового дна к циклу Брайтона использует тепло выхлопных газов для производства дополнительной мощности, которую можно использовать в общей нагрузке, как показано в Рис. 5 , или для отдельной нагрузки.Заштрихованная область представляет собой дополнительный ввод энергии.

Система впуска воздуха

Фильтрация входящего воздуха. Качество воздуха, поступающего в газовую турбину, является очень важным аспектом при проектировании. Эффективность турбины со временем будет снижаться из-за отложений, накапливающихся на внутреннем пути потока турбины и вращающихся лопастях. Это скопление приводит к увеличению технического обслуживания и расходу топлива. Выбор и поддержание надлежащей системы фильтрации входящего воздуха для конкретных условий объекта повлияет на скорость снижения эффективности с течением времени.

Падение давления

Очень важно минимизировать падение давления воздуха, проходящего через: Впускной канал Впускной воздушный фильтр Впускной глушитель (см. Подавление шума ниже)

Потеря давления атмосферного воздуха, поступающего в турбину, сильно влияет на производительность газовой турбины.

Шумоподавление

Шум, производимый газовой турбиной, в основном находится в высокочастотных диапазонах, которые не передаются в отличие от низкочастотных шумов, производимых низкоскоростными первичными двигателями, такими как поршневые двигатели.Большая часть высокочастотного шума, производимого турбиной, генерируется во впускном отверстии для воздуха, и меньшая его часть исходит от выхлопных газов. Источники шума и метод ослабления следующие:

Воздухозаборник

Глушитель на входе должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки. Этот глушитель устанавливается во впускном воздуховоде между воздушным фильтром и впуском воздушного компрессора турбины.

Выхлоп

Глушитель выхлопных газов должен быть специально разработан с учетом профиля шума газовой турбины и требований площадки.Высота выхлопной трубы вместе с глушителем является важным фактором. Выпуск горячих выхлопных газов на максимально возможную высоту снижает измеримый шум на уровне земли, а также имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении вероятности рециркуляции горячих выхлопных газов обратно в воздухозаборник. Потеря давления (противодавление) на выхлопе турбины сильно влияет на производительность газовой турбины.

Кожух / коробка передач / ведомое оборудование

Шумопоглощающий кожух (и) может быть установлен непосредственно над оборудованием, например над корпусом для пешеходов, установленным на салазках, или над зданием, содержащим оборудование, изолированным в соответствии с требованиями, или над обоими.

Масляный радиатор

Наиболее распространенным методом охлаждения масла является использование воздухообменника / охладителя с вентилятором. Они создают шум вентилятора, который можно регулировать с помощью скорости вращения кончика вентилятора. Использование кожухотрубных охладителей воды может снизить уровень шума при наличии охлаждающей среды.

Типы газовых турбин

Конструкции турбин

можно различить по:

• Режим работы
• Типы камер сгорания
• Конфигурация вала
• Степень упаковки

Виды пошлины

Турбинные двигатели авиационные

Авиационные газотурбинные или реактивные двигатели имеют сложную конструкцию и имеют малый вес специально для двигателей самолетов.Эти конструкции требуют максимальной мощности или тяги при минимальном весе и максимальной топливной эффективности. Турбины самолетов имеют подшипники качения и имеют высокие температуры горения, требующие экзотической металлургии. Они могут работать на ограниченном количестве видов топлива. Когда реактивный двигатель используется в промышленности, он должен быть соединен с независимой силовой турбиной для выработки мощности на валу.

Тяжелые промышленные газотурбинные двигатели

Основные конструктивные параметры тяжелых промышленных газотурбинных двигателей произошли от промышленных паровых турбин, которые имеют более низкие скорости, тяжелые роторы и большие корпуса, чем реактивные двигатели, для обеспечения более длительного срока службы.Эти газовые турбины способны сжигать самый широкий спектр жидкого или газового топлива.

Газотурбинные двигатели легкой промышленности

Основные конструктивные параметры и технологии, используемые в авиационных турбинах, могут быть объединены с некоторыми конструктивными аспектами тяжелых промышленных газовых турбин для производства более легкой промышленной турбины с сроком службы, приближающимся к сроку службы тяжелой промышленной газовой турбины. Эти двигатели называются легкими промышленными газотурбинными двигателями.

Типы камер сгорания

Радиальная или кольцевая камера сгорания

Эта камера сгорания окружает вращающиеся части газовой турбины и является неотъемлемой частью корпуса двигателя ( Рис.6 ). Эта конструкция используется в авиационных турбинах и легких промышленных газовых турбинах.

• Рис. 6 — Типовой разрез газовой турбины.

Камера сгорания

Это одно- или многотопливная система сгорания, отделенная от вращающейся турбины в виде баков внешнего сгорания ( Рис. 7 ). Конструкции, в которых используется этот тип камеры сгорания, могут сжигать более широкий спектр видов топлива.

• Рис. 7 — Типовая газовая турбина с камерой сгорания (в разрезе).

Конфигурация вала

Одинарный вал

Газовая турбина может иметь одновальную или двухвальную конструкцию. Одновальная конструкция состоит из одного вала, соединяющего воздушный компрессор, турбину газогенератора и силовую турбину как один вращающийся элемент ( Рис. 1 ). Эта конструкция лучше всего подходит для приложений с постоянной скоростью, таких как привод электрогенераторов с постоянной частотой.

Два вала

Двухвальная конструкция имеет воздушный компрессор и газогенератор на одном валу, а силовую турбину — на втором независимом валу.Такая конструкция обеспечивает гибкость скорости, необходимую для более эффективного охвата более широкой карты характеристик приводимого оборудования. Это позволяет производителю газа работать со скоростью, необходимой для развития мощности, необходимой для приводимого в действие оборудования, такого как центробежные компрессоры или насосы. На фиг. 6 показан вид в разрезе типичной двухвальной газовой турбины. Основные компоненты включают компрессор, систему сгорания, турбину газогенератора и силовую турбину. Эта конструкция включает двухступенчатую турбину генератора газа и двухступенчатую силовую турбину.

Степень упаковки

Нормой для большинства газовых турбин, используемых в промышленности, является встраивание газовой турбины в базовую раму / салазки со всеми компонентами, необходимыми для основного рабочего агрегата. Сюда входят такие системы, как:

• Пусковая система
• Топливная система
• Смазочная система
• Панель местного управления
• В некоторых случаях коробка передач и приводное оборудование

Дополнительные операционные системы, как правило, представляют собой отдельные предварительно спроектированные комплектные системы, которые могут быть предоставлены и настроены производителем турбины.В эту категорию входят такие системы, как:

• Фильтрация / глушитель на впуске воздуха
• Маслоохладители
• Системы дистанционного управления
• Корпуса со звукоизоляцией
• Глушители выхлопных газов

Выхлопные газы

Ухудшение атмосферы газообразными загрязнителями — важная экологическая проблема. Газовая турбина по конструкции с основным циклом обеспечивает более чистое сгорание и производит более низкий уровень загрязняющих веществ по сравнению с другими первичными двигателями, что является большим преимуществом.Обычно регулируемые загрязняющие вещества газовой турбины:

• Оксиды азота
• Окись углерода
• Углеводороды несгоревшие
• Твердые частицы
• Диоксид серы

Решение некоторых, но не всех, этих проблем загрязнения лежит в камере сгорания газовой турбины. Ниже следует краткое обсуждение.

Оксиды азота (NO

_x )

Регулируются только два из семи оксидов азота: NO и NO2, вместе именуемые NO _x .Почти все проблемы с выбросами, связанные с первичными двигателями, связаны с производством NO _x и контролем NO _x . Газовая турбина относительно чиста по сравнению с другими первичными двигателями. Например, газовые турбины, работающие на природном газе, обычно производят от 4 до 12 раз меньше NOx на единицу мощности, чем поршневые двигатели. Однако NOx является основным фактором при разрешении газотурбинных установок.

Окись углерода (CO)

CO также находится на очень низком уровне в выхлопных газах турбин из-за избытка воздуха в процессе сгорания.Поэтому обычно это не проблема. Однако в некоторых областях, где уровень CO в окружающей среде чрезвычайно высок или когда для контроля NO _x в газовой турбине используется закачка воды, CO может быть фактором при получении разрешений.

Несгоревшие углеводороды (UHC)

В отличие от поршневых двигателей, которые производят значительное количество UHC, газовые турбины производят небольшое количество UHC, потому что большое количество избыточного воздуха, участвующего в процессе сгорания газовой турбины, полностью сжигает почти все углеводороды.Следовательно, выбросы UHC редко являются существенным фактором при получении экологических разрешений для газовых турбин.

Твердые частицы

Не были усовершенствованы методы измерения твердых частиц, дающие достоверные результаты по выхлопам газовых турбин. Это редко является фактором при получении разрешений на газовые турбины, когда в газовой турбине сжигается чистое топливо.

Диоксид серы (SO

₂ )

Почти все оборудование для сжигания топлива, включая газовые турбины, преобразует всю серу, содержащуюся в топливе, в SO ₂ .Это делает SO ₂ проблемой топлива, а не проблемой, связанной с характеристиками турбины. Единственный эффективный способ контролировать SO ₂ — это ограничить количество серы, содержащейся в топливе, или удалить SO ₂ из выхлопных газов с помощью процесса мокрой очистки.

Контроль выбросов

Необходимость соответствовать или превосходить нормы выбросов, установленные федеральными, государственными и местными кодексами, потребовала от производителей промышленных газовых турбин разработки более экологически чистых турбин.Системы сухого выброса были разработаны с форсунками с предварительным смешиванием бедного топлива, специальной технологией сжигания и средствами управления для снижения выбросов NOx и CO за счет создания более низких максимальных температур пламени и более полного окисления углеводородного топлива. Все производители промышленных газовых турбин имеют сухие продукты с низким уровнем выбросов. Производительность зависит от конкретного продукта из-за различий в конструкции камеры сгорания.

Эти системы сжигания обедненной смеси снижают образование NOx и CO до очень низкого уровня, что делает ненужным использование дорогостоящих каталитических преобразователей, требующих значительного технического обслуживания, для удаления NOx и CO после их образования.В областях с очень высокими эксплуатационными характеристиками может возникнуть необходимость в некоторых газовых турбинах использовать селективные каталитические нейтрализаторы для дальнейшего снижения уровня NOx и CO. В качестве топлива для газовой турбины выбирается чистый сухой природный газ, который производит самые чистые выхлопные газы.

Тепло выхлопных газов

Газовые турбины имеют большую часть тепловых потерь из цикла, выходящего на выхлоп. Это тепло можно рекуперировать и использовать для увеличения общего теплового КПД сжигаемого топлива. Наиболее распространенный метод использования тепла выхлопных газов — производство пара.

Список литературы

Используйте этот раздел для цитирования элементов, на которые есть ссылки в тексте, чтобы показать ваши источники. [Источники должны быть доступны читателю, т. Е. Не внутренний документ компании.]

Интересные статьи в OnePetro

Используйте этот раздел, чтобы перечислить статьи в OnePetro, которые читатель, желающий узнать больше, обязательно должен прочитать

Внешние ссылки

Используйте этот раздел, чтобы предоставить ссылки на соответствующие материалы на других веб-сайтах, кроме PetroWiki и OnePetro.

См. Также

Первичные движители

Поршневые двигатели

PEH: Prime_Movers

Газотурбинный двигатель модели 502

Компания Boeing была крупным производителем малых газотурбинных двигателей в 1950-х и 1960-х годах.Двигатели представляли собой одну из основных попыток компании расширить свою производственную базу за пределы военной авиации после Второй мировой войны.

Разработка бензинового газотурбинного двигателя началась в 1943 году, первые двигатели обеспечивали мощность около 160 лошадиных сил. Затем Boeing сосредоточил большую часть своих усилий на двухвальном газотурбинном двигателе, который компания произвела в 1947 году. В этом типе выходной вал и трансмиссия были отделены от самого двигателя.

Разработанный компанией Boeing бензиновый двигатель мощностью 175 лошадиных сил был испытан на грузовике Kenworth в 1950 году.Затем двигатель был испытан на лодках ВМС США в озере Вашингтон, недалеко от Сиэтла. К 1960-м годам двигатель выдавал около 500 лошадиных сил.

Двигатели

Boeing обладали преимуществами в отношении веса, крутящего момента, надежности, простоты и легкости запуска. Основное применение было для выработки энергии и силовой установки для тральщиков, пускателей сжатого воздуха для самолетов, повышения мощности для военных танков и мощности для противолодочных беспилотных вертолетов. Более поздние модели получили обозначения 520, 540, 551 и 553.

Boeing построил 2461 двигатель до прекращения производства в апреле 1968 года.Многие применения газотурбинных двигателей Boeing считались первыми, в том числе первый вертолет и лодка с турбинным двигателем. Более 746 радиоуправляемых беспилотных летательных аппаратов QH-50C / D с турбинами Boeing T-50 были построены для ВМФ в течение 1960-х годов по программе противолодочных вертолетов. Более 300 турбин Boeing 551 и 553 приводили в действие шведские боевые бронированные машины.

В 1966 году ряд крупных программ конкурировал за ограниченные ресурсы компании, и было принято решение не продолжать бизнес по производству газотурбинных двигателей.В то время как ограниченное производство для выполнения контрактных обязательств продолжалось до 1968 года, большая часть ресурсов и инженеров подразделения была переведена на другие программы, в частности на разработку гигантского реактивного лайнера 747. Небольшая годовая прибыль Турбинного дивизиона была ничтожной по сравнению с обещанием равной суммы от продажи каждого Боинг 747.

Новаторы Purdue разрабатывают новую технологию предупреждения об остановке газотурбинных двигателей

WEST LAFAYETTE, Ind. — Газотурбинные двигатели часто считаются «сердцем» самолетов и кораблей.Теперь новаторы из Университета Пердью, ищущие новые решения для снижения выбросов и улучшения работы этих двигателей, придумали технологию, аналогичную испытаниям, используемым на человеческих сердцах.

Исследователи Purdue разработали технологию типа электрокардиограммы для газотурбинных двигателей, чтобы отслеживать ритмы и предупреждать о возможной остановке компрессора.

«Эффективный метод предупреждения и предотвращения сваливания имеет большое значение для газотурбинных двигателей, используемых в авиации и на суше», — сказала Николь Ки, профессор машиностроения в Purdue.«Срыв — это тип нестабильности потока в компрессорах, который устанавливает предел низкого расхода для работы газотурбинного двигателя. Когда компрессор глохнет, это может вызвать серьезные повреждения газотурбинных двигателей. Подобно сердечному приступу у людей, остановка компрессора может произойти без явных предшественников ».

Технология предупреждения об остановке компрессора Purdue использует датчики для записи данных во время работы, а затем использует новую процедуру обработки сигналов для определения состояния двигателя.

«Трудно отличить небольшие возмущения, связанные с остановкой компрессора, от возмущений, связанных с турбулентным потоком», — сказал Фанюань Лу, исследователь лаборатории Ки.«Когда появляются очевидные предвестники, газотурбинный двигатель останавливается в течение нескольких миллисекунд. Недостаточно времени для предупреждения, чтобы действовать ».

Инженеры Purdue использовали алгоритм нелинейного извлечения признаков для извлечения ранних и небольших предвестников срыва, обеспечивая достаточно времени для предупреждения для действий по исправлению ситуации.

Новаторы работали с отделом коммерциализации технологий Purdue Research Foundation, чтобы запатентовать свою технологию.

Исследователи из Университета Пердью разработали технологию типа электрокардиограммы для газотурбинных двигателей, чтобы отслеживать ритмы и предупреждать о возможной остановке компрессора.(Изображение предоставлено) Скачать изображение

Новаторы и внебиржевые компании ищут партнеров для продолжения развития своих технологий. Для получения дополнительной информации о лицензировании и других возможностях свяжитесь с Мэтью Халладей из OTC по адресу [email protected] и укажите код отслеживания 2019-LOU-68639.

О компании Purdue Research Foundation Офис коммерциализации технологий

Управление коммерциализации технологий Исследовательского фонда Purdue осуществляет одну из самых всеобъемлющих программ трансфера технологий среди ведущих исследовательских университетов США.S. Услуги, предоставляемые этим офисом, поддерживают инициативы по экономическому развитию Университета Purdue и приносят пользу академической деятельности университета за счет коммерциализации, лицензирования и защиты интеллектуальной собственности Purdue. Офис расположен в Центре конвергенции инноваций и сотрудничества в районе Discovery Park District, рядом с кампусом Purdue. В 2020 финансовом году офис сообщил о 148 заключенных сделках с 225 подписанными технологиями, получено 408 раскрытий и 180 выпущено U.С. патенты. Офис управляется Исследовательским фондом Purdue, получившим в 2019 году премию университетов за инновации и экономическое процветание за место от Ассоциации государственных университетов и университетов, получивших земельные гранты. В 2020 году институт IPWatchdog поставил Purdue на третье место в национальном рейтинге по созданию стартапов и в топ-20 по патентам. Purdue Research Foundation — это частный некоммерческий фонд, созданный для продвижения миссии Purdue University. Свяжитесь с [email protected] для получения дополнительной информации.

Об университете Пердью

Purdue University — ведущее государственное исследовательское учреждение, разрабатывающее практические решения самых сложных современных проблем.Purdue, занявший 5-е место в рейтинге самых инновационных университетов США по версии U.S. News & World Report, проводит исследования, меняющие мир, и открытия, не связанные с этим миром. Purdue стремится к практическому и онлайн-обучению в реальном мире, предлагая трансформирующее образование для всех. Стремясь обеспечить доступность и доступность, Purdue заморозила стоимость обучения и большую часть платы на уровне 2012-2013 годов, что позволило большему количеству студентов, чем когда-либо, получить высшее образование без долгов. Посмотрите, как Purdue никогда не останавливается в упорном стремлении к следующему гигантскому прыжку в Purdue.edu.

Автор: Крис Адам , [email protected]

Источники: Николь Ки, [email protected]

Фанъюань Лу, [email protected]

Турбинный двигатель | RadMax Technologies

Турбинный двигатель

Двигатели внутреннего и внешнего сгорания — это два основных типа первичных двигателей, которые сжигают топливо для выработки энергии. Примерами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновые двигатели с искровым зажиганием (цикл Отто) и двигатели с воспламенением от сжатия (дизельный цикл).Примерами двигателей внешнего сгорания являются паровой двигатель (цикл Ренкина), двигатель горячего воздуха (Стерлинг) и газотурбинный двигатель (цикл Брайтона).

Все эти циклы имеют особые рабочие и физические характеристики и различные экономические соображения, которые позволяют использовать их для конкретных приложений. В следующей таблице приводится сравнение этих факторов.

Сравнение типов двигателей

Тип двигателя	КПД	Выбросы	Стоимость	Масса
Искровое зажигание (Отто)	Плохо	Плохо	Хорошо	Хорошо
Компрессионное зажигание (Дизель)	Хорошо	Плохо	Ярмарка	Ярмарка
Steam (Ранкин)	Хорошо	Плохо — Хорошо	Плохо — Хорошо	Плохо
Горячий воздух (Стерлинг)	Хорошо	Плохо	Плохо	Плохо
Газовая турбина (Брайтон)	Плохо	Хорошо	Плохо	Хорошо

Длительный срок службы, низкое отношение мощности к массе, а также растущие экологические требования и нормативные требования заставляют по-новому взглянуть на жизнеспособность газотурбинных двигателей для более массовых применений.Оптимизированное сгорание газотурбинного двигателя производит меньше общих выбросов, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако их более низкая операционная эффективность и более высокие операционные и капитальные затраты препятствуют их более широкому использованию.

Двигатель RadMax Turbine Engine призван улучшить эффективность существующих газовых турбин и снизить затраты за счет включения более высокого КПД и более дешевого компрессора прямого вытеснения и газового детандера технологии RadMax.

Турбинный двигатель прямого вытеснения RadMax
Газотурбинный двигатель RadMax оснащен высокоэффективным компрессором прямого вытеснения RadMax и детандером газа, соединенным с внешней камерой сгорания и рекуператором (теплообменником выхлопных газов).Комбинация этих устройств обеспечивает значительно более высокую эффективность извлечения топлива и энергии по сравнению с обычными газотурбинными двигателями.

Получающаяся в результате более низкая температура выхлопных газов за счет использования более высокоэффективного компрессора и детандера также имеет преимущество в виде снижения выбросов по сравнению с обычными газотурбинными двигателями. Кроме того, интеграция компрессора и детандера в один блок, использование впускных и выпускных отверстий большой площади вместо клапанов и большой рабочий объем для каждого размера устройства — все это значительно снижает потери тепла.

Газотурбинный двигатель RadMax способен сжигать практически любой тип газообразного или жидкого топлива и характеризуется следующими характеристиками:

• Постоянно оптимизированное сгорание, приводящее к снижению выбросов, повышению эффективности двигателя и лучшей экономии топлива (расчетная эффективность торможения 50 +%)
• Скорость ниже, чем у обычных газовых турбин с более высоким крутящим моментом
• Большой диапазон изменения угла
• Высокая удельная мощность
• Плавный ход
• Низкий уровень шума
• Снижение затрат на производство, эксплуатацию и обслуживание
• Легко масштабируется от 20 л.с. и выше

RadMax Turbine Engine, цикл

Благодаря своей многотопливной, высокой топливной эффективности, компактным размерам и возможности чистого сжигания газотурбинный двигатель RadMax хорошо подходит для производства электроэнергии и применения в гибридных транспортных средствах.

Работа турбинного двигателя RadMax
В газотурбинном двигателе RadMax, когда лопатки компрессора и расширителя перемещаются в осевом направлении, приводимые в движение поверхностью ротора, давление в каждой камере изменяется, когда соседние лопатки выдвигаются или втягиваются. Во время вращения ротора концы лопаток движутся по траектории, которая приближается к синусоидальной волне. Этот путь уникально спроектирован таким образом, что при каждом обороте ротора объемы камер попеременно расширяются и сжимаются. Процесс повторяется в каждой из секций турбины, в каждой камере и с каждой стороны ротора.Сжатый воздух из компрессорных секций направляется в камеру сгорания, а горячий газ под высоким давлением из камеры сгорания направляется на вход секций газового расширителя.

Ротор газотурбинного двигателя RadMax непрерывно вращается в одном направлении, а не резко меняет направления, как в поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением. Поскольку верхняя и нижняя поверхности ротора смещены по фазе на 90 градусов, газотурбинный двигатель RadMax всегда сбалансирован и демонстрирует минимальную вибрацию.

Комбинированная конфигурация турбины RadMax
Конструкция турбины RadMax представляет собой комбинацию четырех отдельных секций, по две на каждом кулачке.Эта уникальная конструкция позволяет потенциально настраивать каждую из этих секций с различными степенями сжатия или расширения. Для определенных приложений можно было бы сконфигурировать две или три секции как расширители и одну или две секции как компрессор, тем самым устраняя необходимость в отдельных кулачках компрессора и расширителя.

Это проиллюстрировано на этом рисунке, где зеленый центр представляет ротор в «развернутом» состоянии. Вертикальные желтые полосы — это скользящие лопатки, разделяющие каждую камеру, а черные синусоидальные кривые — поверхности кулачков.По мере вращения ротора сегменты, образованные ротором, кулачками и лопатками, увеличиваются или уменьшаются в объеме, таким образом, функционируя как турбины или компрессоры.

В этом примере три секции движка RadMax сконфигурированы как расширители. Четвертая секция настроена как компрессор. Каждая из секций расширения принимает газы под высоким давлением из внешней камеры сгорания и вырабатывает энергию вращения. Секция компрессора всасывает окружающий воздух и подает сжатый воздух в камеру сгорания.

Как работают 4 типа турбинных двигателей

Прямая трансляция из полетной палубы

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь с 1903 года.Это был первый год, когда газовая турбина вырабатывала достаточно энергии, чтобы продолжать работать. Дизайн был разработан норвежским изобретателем Эгидусом Эллингом, и он выдал 11 лошадиных сил, что было огромным подвигом в то время.

В наши дни газотурбинные двигатели бывают всех форм и размеров, и большинство из них вырабатывают , намного больше, чем , более 11 лошадиных сил. Вот 4 основных типа газотурбинных двигателей, а также их плюсы и минусы.

1) Турбореактивный двигатель

Heinkel He 178, первый в мире турбореактивный самолет

Турбореактивные двигатели были первым изобретенным типом газотурбинных двигателей.И хотя они выглядят совершенно иначе, чем поршневой двигатель в вашем автомобиле или самолете, они работают по той же теории: впуск , сжатие, мощность, выхлоп .

Как работает турбореактивный двигатель?

Турбореактивные двигатели работают за счет пропускания воздуха через 5 основных секций двигателя:

Шаг 1: Воздухозаборник
Воздухозаборник представляет собой трубку перед двигателем. Забор воздуха может показаться простым, но это невероятно важно.Задача воздухозаборника — плавно направлять воздух в лопатки компрессора. На низких скоростях ему необходимо минимизировать потери воздушного потока в двигателе, а на сверхзвуковых скоростях он должен замедлять воздушный поток ниже 1 Маха (воздух, поступающий в турбореактивный двигатель, должен быть дозвуковым, независимо от того, насколько быстро летит самолет. ).

Шаг 2: Компрессор
Компрессор приводится в движение турбиной в задней части двигателя, и его работа заключается в сжатии поступающего воздуха, что значительно увеличивает давление воздуха.Компрессор представляет собой серию «вентиляторов», каждый с меньшими и меньшими лопастями. По мере того, как воздух проходит через каждую ступень компрессора, он становится более сжатым.
Шаг 3: Камера сгорания
Далее идет камера сгорания, где действительно начинается волшебство. Воздух под высоким давлением смешивается с топливом, и смесь воспламеняется. Когда горючая смесь сгорает, она продолжает двигаться через двигатель к турбине. Турбореактивные двигатели работают на очень бедной смеси, примерно 50 частей воздуха на каждую 1 часть топлива (большинство поршневых двигателей работают в диапазоне от 6: 1 до 18: 1).Одна из основных причин, по которой турбины работают на обедненной смеси, заключается в том, что для охлаждения турбореактивного двигателя требуется дополнительный поток воздуха.
Шаг 4: Турбина
Турбина — это еще одна серия «вентиляторов», которые работают как ветряная мельница, поглощая энергию проходящего через нее высокоскоростного воздуха. Лопатки турбины соединены с валом и вращают его, который также соединен с лопатками компрессора в передней части двигателя. «Жизненный цикл» турбореактивного двигателя почти завершен.

Шаг 5: Выхлоп (он же «Я ухожу отсюда!»)
Сгоревшая на высокой скорости топливно-воздушная смесь выходит из двигателя через выхлопное сопло.Когда высокоскоростной воздух выходит из задней части двигателя, он создает тягу и толкает самолет (или то, к чему он прикреплен) вперед.

Турбореактивный вынос:

• Плюсы:
• Сравнительно простой дизайн
• Возможность очень высоких скоростей
• Занимает мало места
• Минусы:
• Большой расход топлива
• Громко
• Низкая производительность на низких скоростях

2) Турбовинтовой двигатель

Прямая трансляция из полетной палубы

King Air с турбовинтовыми двигателями

Следующие три типа газотурбинных двигателей представляют собой турбореактивные двигатели, и мы начнем с турбовинтовых.Турбовинтовой — это турбореактивный двигатель, соединенный с воздушным винтом через систему зубчатых передач.

Как работает турбовинтовой двигатель?

Шаг 1 : Турбореактивный двигатель вращает вал, который соединен с коробкой передач.

Шаг 2 : Коробка передач замедляет вращение, и самая медленная шестерня соединяется с гребным винтом.

Шаг 3 : Воздушный винт вращается в воздухе, создавая тягу, как и ваша Cessna 172

Турбовинтовой вынос:

• Плюсы:
• Очень экономичный
• Наиболее эффективен при средней скорости 250-400 узлов
• Наиболее эффективен на средних высотах от 18 000 до 30 000 футов
• Минусы:
• Ограниченная скорость полета вперед
• Зубчатые передачи тяжелые и могут выйти из строя

3) Турбореактивный двигатель

Прямая трансляция из полетной палубы

Некоторые широкофюзеляжные турбовентиляторные двигатели могут развивать тягу более 100 000 фунтов

Турбореактивные двухконтурные двигатели сочетают в себе лучшее из обоих миров — турбореактивных и турбовинтовых.И вы, вероятно, увидите эти двигатели, когда отправитесь в аэропорт на следующий рейс авиакомпании.

Как работает турбовентиляторный двигатель?

Турбореактивные двухконтурные двухконтурные двигатели присоединяются к передней части турбореактивного двигателя. Вентилятор создает дополнительную тягу, помогает охлаждать двигатель и снижает уровень шума двигателя.

Шаг 1 : Входящий воздух делится на два отдельных потока. Один поток обтекает двигатель (перепускной воздух), а другой проходит через сердечник двигателя.

Шаг 2 : Обводной воздух проходит вокруг двигателя и ускоряется канальным вентилятором, создавая дополнительную тягу.

Шаг 3 : Воздух проходит через турбореактивный двигатель, создавая тягу.

ТРДД на вынос:

• Плюсы:
• Экономия топлива
• тише турбореактивных двигателей
• Они потрясающе выглядят
• Минусы:
• Тяжелее турбореактивных двигателей
• Большая лобовая площадь, чем у турбореактивных двигателей
• Неэффективен на очень большой высоте

ТРДД Pratt & Whitney F100 с форсажной камерой на F-16

4) Турбовальный двигатель

Вертолет Bell 206 с турбовальным двигателем

Турбовальные двигатели в основном используются на вертолетах.Самая большая разница между турбовальными двигателями и турбореактивными двигателями заключается в том, что турбовальные двигатели используют большую часть своей мощности для вращения турбины, а не для создания тяги, исходящей из задней части двигателя.

Как работает турбовальный вал?

Турбовалы — это, по сути, турбореактивный двигатель с большим валом, соединенным с его задней частью. А поскольку большинство этих двигателей используется на вертолетах, этот вал соединен с трансмиссией лопастей несущего винта.

Шаг 1 : Двигатель по большей части работает как турбореактивный.

Шаг 2 : Приводной вал, прикрепленный к турбине, приводит в действие трансмиссию.

Шаг 3 : Трансмиссия передает вращение от вала на лопасть ротора.

Шаг 4 : Вертолет, в основном неизвестными и волшебными способами, может летать по небу.

Отвод турбовального вала:

• Плюсы:
• Значительно более высокое отношение мощности к массе, чем у поршневых двигателей
• Обычно меньше поршневых двигателей
• Минусы:
• Громко
• Зубчатые передачи, соединенные с валом, могут быть сложными и выходить из строя

4 типа двигателей, основанных на одной и той же базовой концепции

Газотурбинные двигатели прошли долгий путь за последние 100 лет.И хотя турбореактивные двигатели, турбовинтовые двигатели, турбовентиляторные двигатели и турбовальные двигатели имеют свои различия, их способ выработки мощности, по сути, одинаков: впуск, сжатие, мощность и выхлоп.

Станьте лучшим пилотом.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые сделают вас умнее и безопаснее пилота.

Турбинные двигатели (часть первая)

Турбинный двигатель самолета состоит из воздухозаборника, компрессора, камер сгорания, турбинной части и выхлопной системы.Тяга создается за счет увеличения скорости воздуха, проходящего через двигатель. Турбинные двигатели — очень востребованные силовые установки самолетов. Они отличаются плавностью работы и высокой удельной мощностью, и в них используется легкодоступное авиакеросин. До недавних достижений в материалах, конструкции двигателей и производственных процессах использование газотурбинных двигателей в малых / легких производственных самолетах было непомерно дорогостоящим.

Сегодня несколько производителей авиационной техники производят или планируют производить небольшие / легкие летательные аппараты с турбинными двигателями.Эти небольшие самолеты с турбинным двигателем обычно вмещают от трех до семи пассажиров и называются очень легкими реактивными самолетами (VLJ) или микроджетами. [Рисунок 7-22]

Рисунок 7-22. Затмение 500 VLJ.

Типы турбинных двигателей

Турбинные двигатели классифицируются в зависимости от типа используемых в них компрессоров. Есть три типа компрессоров: центробежный, осевой и центробежно-осевой. Сжатие входящего воздуха достигается в двигателе с центробежным потоком за счет ускорения воздуха наружу перпендикулярно продольной оси машины.Двигатель с осевым потоком сжимает воздух за счет ряда вращающихся и неподвижных крыльев, перемещающих воздух параллельно продольной оси. В конструкции с центробежно-осевым потоком используются оба типа компрессоров для достижения желаемого сжатия.

Путь, по которому воздух проходит через двигатель, и то, как вырабатывается мощность, определяет тип двигателя. Существует четыре типа авиационных газотурбинных двигателей: турбореактивный, турбовинтовой, двухконтурный и турбовальный.

Рекомендации по летной грамотности Справочник Рода Мачадо «Как управлять самолетом» — Изучите основные основы управления любым самолетом.Сделайте летную подготовку проще, дешевле и приятнее. Освойте все маневры чек-рейда. Изучите философию полета «клюшкой и рулем». Не допускайте случайной остановки или вращения самолета. Посадите самолет быстро и с удовольствием.

Турбореактивный

Турбореактивный двигатель состоит из четырех секций: компрессора, камеры сгорания, турбинной секции и выхлопной. Секция компрессора пропускает входящий воздух с высокой скоростью в камеру сгорания.Камера сгорания содержит впускное отверстие для топлива и воспламенитель для сгорания. Расширяющийся воздух приводит в движение турбину, которая соединена валом с компрессором, обеспечивая работу двигателя. Ускоренные выхлопные газы двигателя обеспечивают тягу. Это базовое применение сжатия воздуха, воспламенения топливно-воздушной смеси, выработки энергии для автономной работы двигателя и выхлопа для приведения в движение. [Рисунок 7-23]

Рисунок 7-23. Турбореактивный двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Турбореактивные двигатели ограничены по дальности действия и выносливости.Они также медленно реагируют на дросселирование при низких скоростях компрессора.

Турбовинтовой

Турбовинтовой двигатель — это газотурбинный двигатель, приводящий в движение воздушный винт через редуктор. Выхлопные газы приводят в движение силовую турбину, соединенную валом, приводящим в действие редуктор в сборе. Понижающая передача необходима в турбовинтовых двигателях, потому что оптимальные характеристики воздушного винта достигаются при гораздо более низких скоростях, чем рабочие обороты двигателя. Турбовинтовые двигатели — это компромисс между турбореактивными двигателями и поршневыми силовыми установками.Турбовинтовые двигатели наиболее эффективны на скоростях от 250 до 400 миль в час и на высоте от 18 000 до 30 000 футов. Они также хорошо работают на малых скоростях, необходимых для взлета и посадки, и экономичны. Минимальный удельный расход топлива турбовинтового двигателя обычно достигается в диапазоне высот от 25 000 футов до тропопаузы. [Рисунок 7-24]

Рисунок 7-24. Турбовинтовой двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Турбореактивный двухконтурный двигатель

Турбореактивный двухконтурный двигатель был разработан, чтобы объединить некоторые из лучших характеристик турбореактивного двигателя и турбовинтового двигателя.Турбореактивные двухконтурные двигатели предназначены для создания дополнительной тяги за счет направления вторичного воздушного потока вокруг камеры сгорания. Обводной воздух турбовентиляторного двигателя создает повышенную тягу, охлаждает двигатель и способствует подавлению шума выхлопных газов. Это обеспечивает крейсерскую скорость турбореактивного типа и меньший расход топлива.

Входящий воздух, проходящий через турбовентиляторный двигатель, обычно делится на два отдельных потока воздуха. Один поток проходит через ядро ​​двигателя, а второй поток обходит ядро ​​двигателя.Именно этот байпасный поток воздуха отвечает за термин «байпасный двигатель». Коэффициент двухконтурности турбовентиляторного двигателя относится к соотношению массового расхода воздуха, проходящего через вентилятор, к массовому расходу воздуха, проходящего через сердечник двигателя. [Рисунок 7-25]

Рисунок 7-25. Турбореактивный двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить] Турбовал

Четвертым распространенным типом реактивных двигателей является турбовальный. [Рис. 7-26] Он передает мощность на вал, приводящий в движение не винт, а нечто иное.Самая большая разница между турбореактивным двигателем и турбовальным двигателем заключается в том, что в турбореактивном двигателе большая часть энергии, производимой расширяющимися газами, используется для привода турбины, а не для создания тяги. На многих вертолетах используется турбовальный газотурбинный двигатель. Кроме того, турбовальные двигатели широко используются в качестве вспомогательных силовых агрегатов на больших самолетах.

Рисунок 7-26. Турбовальный двигатель. [щелкните изображение, чтобы увеличить]

Приборы для турбинных двигателей

Приборы для двигателей, которые показывают давление масла, температуру масла, частоту вращения двигателя, температуру выхлопных газов и расход топлива, являются общими как для турбинных, так и для поршневых двигателей.Однако есть некоторые инструменты, уникальные для газотурбинных двигателей. Эти приборы показывают степень давления в двигателе, давление на выходе турбины и крутящий момент. Кроме того, большинство газотурбинных двигателей имеют несколько приборов для измерения температуры, называемых термопарами, которые предоставляют пилотам показания температуры внутри и вокруг турбинной секции.

Коэффициент давления в двигателе (EPR)

Датчик степени давления в двигателе (EPR) используется для индикации выходной мощности турбореактивного / турбовентиляторного двигателя.EPR — это отношение давления на выходе турбины к давлению на входе компрессора. Измерения давления регистрируются датчиками, установленными на входе и выходе двигателя. После сбора данные отправляются на датчик дифференциального давления, который отображается на датчике EPR в кабине экипажа.

Конструкция системы EPR автоматически компенсирует влияние воздушной скорости и высоты. Изменения температуры окружающей среды требуют корректировки показаний EPR для обеспечения точных настроек мощности двигателя.

Температура выхлопных газов (EGT)

Ограничивающим фактором в газотурбинном двигателе является температура секции турбины. Необходимо внимательно следить за температурой секции турбины, чтобы предотвратить перегрев лопаток турбины и других компонентов выхлопной секции. Одним из распространенных способов контроля температуры секции турбины является датчик EGT. EGT — это предел эксплуатации двигателя, используемый для контроля общих условий работы двигателя.

Варианты систем EGT носят разные названия в зависимости от расположения датчиков температуры.Обычные датчики температуры турбины включают датчик температуры на входе в турбину (TIT), датчик температуры на выходе из турбины (TOT), датчик температуры между ступенями турбины (ITT) и датчик температуры газа в турбине (TGT).

Измеритель крутящего момента

Выходная мощность турбовинтового / турбовального двигателя измеряется с помощью измерителя крутящего момента. Крутящий момент — это крутящая сила, приложенная к валу. Моментометр измеряет мощность, приложенную к валу. Турбовинтовые и турбовальные двигатели предназначены для создания крутящего момента для привода гребного винта.Моментометры калибруются в процентах, фунтах-футах или фунтах на квадратный дюйм.

N ₁ Индикатор

N ₁ представляет собой частоту вращения компрессора низкого давления и отображается на индикаторе в процентах от расчетных оборотов в минуту.