Электротурбина: сипаттамалары, жұмыс принципі, жұмыстың оң және теріс жақтары, орнату бойынша кеңестер және иесінің пікірлері

2024 Автор: Erin Ralphs | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-02-19 17:08

Қоршаған ортаны қорғау ережелерін күшейте отырып, автоөндірушілер өнімділікті сақтай отырып, қозғалтқыштардың қоршаған ортаға зиянсыздығы мен тиімділігін арттыру жолдарын әзірлеуге мәжбүр. Осыған байланысты мәжбүрлі индукциялық жүйелер кеңінен тарады. Бұрын олар өнімділікті арттыру үшін пайдаланылса, қазір олар экономиканы және қоршаған ортаға зиянсыздығын жақсарту құралы ретінде қолданылуда. Қатты зарядтау арқасында сіз аз цилиндрлермен және кішірек көлеммен атмосфералық қозғалтқыштардағыдай өнімділікке қол жеткізе аласыз. Яғни, жоғары зарядталған қозғалтқыштар тиімдірек. Тағы бір әдіс - электр энергиясын бөлек (электр қозғалтқыштары) және іштен жанатын қозғалтқыштармен (гибридті электр станциялары) біріктіріп пайдалану. Бұл мақалада осы тәсілдерді біріктіретін электр турбиналары талқыланады.

Жалпы мүмкіндіктер

Электрлік емес мәжбүрлі индукциялық жүйелер энергия көзіне сәйкес турбокомпрессорлар және суперзарядтағыштар болып жіктеледі. Электр жүйелері олардың негізінде құрылады және өтпелі кезеңде өнімділікті жақсартуға бағытталған.процестер және кідірістерді азайту.

Электр үрлеуші, Honeywell компаниясына сәйкес, тым зарядталған қозғалтқышқа орнатылған электр қозғалтқышымен басқарылатын компрессор. Яғни, бұл турбо қозғалтқышқа арналған қосымша құрылғы. Электр турбинасы механикалық турбинаның аналогы болып табылады. Бұл жағдайда диск әртүрлі жолдармен жүзеге асырылуы мүмкін.

Висконсин-Мэдисон университетінің зерттеушілерінің классификациясы бойынша мәжбүрлі индукцияның электрлік жүйелері конструкциясы мен жұмыс істеу принципі бойынша келесі түрлерге бөлінеді:

• электр үрлегіштер (EC/ET/ES);
• электрлік көмекшісі бар турбиналар (EAT);
• электрлік бөлінген турбиналар (EST);
• қосымша электр жетекті компрессоры (TEDC) бар турбиналар.

Дизайн

Жоғарыда келтірілген электр турбиналарының түрлері басқа дизайнға ие. Бұл компоненттердің әртүрлі орналасуларында, олардың техникалық параметрлеріндегі айырмашылықтарда және т.б..

EC

EC – электр қозғалтқышы бар компрессор. Бұл жоғарыда айтылған электр үрлегіш. Электр жетегі ең үлкен басқару икемділігін және компрессорды оңтайлы жұмыс нүктесінде басқару мүмкіндігін қамтамасыз етеді. Дегенмен, бұл қуатты электрлік құрамдастарды қажет етеді.

ТАУ

EAT-те турбина мен компрессор арасында, әдетте, білікке жоғары жылдамдықты электр қозғалтқышы орнатылады. Негізгі энергия көзі болмағандықтан пайдаланыладытөмен қуатты электр компоненттері. Бұл төмен шығындарға әкеледі. Сонымен қатар, мұндай турбокомпрессорлар ротордың орнын өздігінен анықтау мүмкіндігіне ие және жақсы генерациялау және қозғалтқыш мүмкіндіктерімен сипатталады. Негізгі мәселе - электр қозғалтқышына жоғары температура әсері, әсіресе ол корпустың ішіне орнатылған болса.

Оны шешудің әртүрлі әдістері бар. Мысалы, BMW электр қозғалтқышын білікке қосуға және ажыратуға мүмкіндік беретін муфталарды орнатты. Осының арқасында қозғалтқышты турбинаның сыртында орналастыруға болады. G+L inotec үлкен ауа саңылауы бар тұрақты магнит қозғалтқышын пайдаланды, оны сыртта да орналастыруға болады. Статордың ішкі диаметрі компрессордың сыртқы диаметріне тең, ал ротордың сыртқы диаметрі біліктің шығыс диаметріне тең. Ауа саңылауы ауа кірісі ретінде әрекет етуі мүмкін. Бұл салқындату, инерция және термиялық әсер тұрғысынан артықшылықтарды қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, термиялық тұрақтылық және термиялық бақылау тұрғысынан айнымалы магниттік кедергісі бар асинхронды электр қозғалтқыштары, әмбебап коллекторлық қозғалтқыштар беттік тұрақты магниттері бар қозғалтқышпен салыстырғанда жақсырақ.

EST

ЭСТ-те турбина мен компрессор білікпен қосылмаған және олардың әрқайсысы электр қозғалтқышымен жабдықталған. Бұл компрессор мен турбина дөңгелектерінің әртүрлі жылдамдықта жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Бұл дизайн ET-ге ұқсас артықшылықтарға ие, бірақ одан айырмашылығы энергияны өндіруге қабілетті. Оған қоса, олОл компрессор мен турбинаның бөлінуіне, сонымен қатар турбина мен оның білігінен қосымша инерцияның болмауына байланысты жылу эффектісі аз болады. Турбина мен компрессорды бөлу орау тұрғысынан тиімді, өйткені ол ауа ағынының жолын оңтайландыруға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл технология сонымен қатар қымбат тұратын момент/инерция қатынасын қанағаттандыру үшін қуатты электр қозғалтқышын, генераторды және инверторларды қажет етеді.

TEDC

TEDC – электр қозғалтқышымен басқарылатын қосымша компрессоры бар механикалық турбина. Компрессордың турбинаға қатысты орналасуына сәйкес бұл жүйелер жоғары және төменгі ағынды нұсқаларға жіктеледі (тиісінше турбинаның үстінде және астында). Жалпы алғанда, олар электр қозғалтқышының турбина мен біліктің инерциясынан тәуелсіздігіне байланысты «төменгі жағында» өтпелі процестер кезінде айтарлықтай жақсырақ жауап берумен сипатталады. Сонымен қатар, төменгі ағындық TEDC-тер осыған байланысты жоғары ағынды нұсқалардан жоғарырақ, өйткені соңғылары қысымды ұстап тұру үшін үлкен көлеммен сипатталады. Электр турбиналарының осы түрінің тағы бір артықшылығы – механикалық турбиналардан минималды айырмашылығы.

Жұмыс принципі

Жоғарыда аталған электр турбиналарының түрлері жұмыс істеу принципі бойынша ерекшеленеді. Сонымен, диск басқаша жүзеге асырылады, олардың кейбіреулері энергия өндіруге қабілетті және т.б.

EC

EC-де компрессор электр қозғалтқышымен қозғалады. Мұндай жүйе энергияны өндіруге қабілетті емес, бірақ ол үшінсақтауды регенеративті тежеу жүйесімен немесе кірістірілген стартер генераторымен біріктіруге болады.

ТАУ

Төмен айналымдағы EAT кезінде электр қозғалтқышы қысымды арттыру үшін компрессорға қосымша момент береді. «Шыңында» ол қоймаға беруге болатын энергияны жасайды. Сонымен қатар, электр қозғалтқышы турбинаның жылдамдық шегінен асып кетуіне жол бермейді. Дегенмен, пайдаланылған газдардан алынатын энергияның орнын толтыратын жоғары кері қысым әсері болуы мүмкін.

Пайдаланылған газдардан электр энергиясын өндіру мүмкіндігіне байланысты мұндай турбокомпрессорлар гибридті деп аталады. Жеңіл автомобильдерде қозғалыс цикліне байланысты олар бірнеше жүз ватттан кВт-қа дейін өндіре алады. Бұл отын үнемдей отырып, генераторды ауыстыруға мүмкіндік береді.

EST

EST-те пайдаланылған газдардың энергиясы компрессорды тікелей қозғамайды, генератор арқылы электр энергиясына айналады. Компрессор жинақталған қуатпен қозғалады.

TEDC

TEDC жүйесінде электр қозғалтқышы турбинадан тәуелсіз жұмыс істейді, ал ол басқаратын қосымша компрессор «төменгі жағындағы» күшейтуді арттыруға қызмет етеді.

Дизайн және функционалдық айырмашылықтар

Мәжбүрлі индукцияның қарастырылған электрлік жүйелері арасындағы түбегейлі айырмашылықтарды Висконсин-Мэдисон университетінің зерттеушілері графикалық және кестелік түрде біріктіреді. Төмендегі суретте олардың құрылғысының диаграммалары көрсетілген (a - EAT, b - EC, c - EST, d - TEDC жоғары, e - TEDC төмен).

Кесте құрылғының негізгі ережелерін көрсетеді. Оларға энергия көзі, компрессор жетегі, электр тораптарының қуаты жатады. Бұған қоса, өлшемдер мен температура әсері сияқты қасиеттер маңызды.

Түр	EC	ТАУ	EST	TEDC
Қуат көзі	Батарея	Шығарылатын газдар / батарея	Шығарылатын газдар / батарея	Шығарылатын газдар / батарея
Электр қозғалтқышы мен түрлендіргіштің қуаты	Жоғары	Төмен	Жоғары	Төмен
Температура эффектісі	Төмен	Жоғары	Төмен	Төмен
Өлшем	Кіші	Орта	Үлкен	Үлкен
Электр турбина	Жоқ	Иә	Иә	Жоқ
Турбоэлектрлік компрессор жетегі	Жоқ	Иә	Жоқ	Жоқ

Осылайша, EAT және EST технологиялары электр турбиналарына жатады. EC бұрынғыдайатап өтілді - жеке механизм, TEDC - онымен жабдықталған кәдімгі турбо зарядтау жүйесі.

Артықшылықтары мен кемшіліктері

Электр қозғалтқышы бар турбиналық жетек механикалық турбокомпрессорлардың негізгі кемшіліктерін жояды.

• Кідіріс жоқ, өйткені электр қозғалтқышы роторды өте жылдам айналдыра алады.
• Шығарылатын газдардың жетіспеушілігінен туындаған турбо лаг жоқ, өйткені бұл жағдайда электр қозғалтқышы энергияның жетіспеушілігін өтейді.
• Электр қозғалтқышы анти-кідіріс сияқты өтпелі кезеңдерде соңғының жағымсыз әсерлерінсіз күшейтуді сақтауға мүмкіндік береді.
• Бұл кең жұмыс ауқымын және тұрақты моментті қамтамасыз етеді.
• Бұл механизмдердің кейбір түрлері генераторға түсетін жүктемені азайтып, отын шығынын азайта отырып, электр қуатын өндіре алады.
• Жоғалған энергияны қалпына келтіру мүмкін, өйткені Ferrari Формула 1 қозғалтқышында іске асырды.
• Электротурбиналар жұмсақ жағдайда және төмен жылдамдықта жұмыс істейді (200-300 мың орнына 100 мың).

Алайда бұл технологияның бірқатар кемшіліктері бар.

• Дизайн күрделілігі, оның ішінде мотор мен контроллер.
• Бұл жоғары шығындарды тудырады.
• Сонымен қатар дизайнның күрделілігі сенімділікке әсер етеді.
• Құрылымдық элементтердің көптігіне байланысты (турбинаға қосымша, оған электр қозғалтқышы, контроллерлер, аккумулятор кіреді) бұл турбокомпрессорлар әдеттегіден әлдеқайда үлкен және ауыр.

Сонымен қатар, электр турбинаның әрбір түрі сипатталадыарнайы мүмкіндіктер.

Түр	EC	ТАУ	EST	TEDC жоғары ағын	TEDC төмен ағыны
Қадір	Басқару икемділігі; орналасу икемділігі; білік инерциясының болмауы; ысырапсыз; кері қысым жоқ	Шағын; төмен қуатты қозғалтқыш және инвертор; ысырапсыз	Басқару икемділігі; орналасу икемділігі; білік инерциясының болмауы; ысырапсыз	Орнату оңай; білік инерциясының болмауы; төмен қуатты қозғалтқыш және инвертор; Үздіксіз өнімділікті жақсарту	Өтпелі жауап жақсырақ; орнату оңай; төмен қуатты қозғалтқыш және инвертор; Үздіксіз өнімділікті жақсарту
Кемшіліктер	Жоғары қуатты қозғалтқыш және инвертор; төмен тиімділік	Қосымша салқындату қажеттілігі; біліктердің қосымша инерциясы; кері қысымға байланысты жеделдету шегін арттыру	Жоғары қуатты қозғалтқыш және инвертор; түрлендіру кезіндегі энергия жоғалуы; шектеукері қысымға байланысты күшейтуді күшейту; қосымша орнату орнын қажет етеді	Өте жылдам өтпелі жауап емес; қосымша орнату орнын қажет етеді; төмен тиімділік	Қосымша орнату орнын қажет етеді; төмен тиімділік

Төзімділік тұрғысынан, IHI сәйкес, электр турбиналары бірдей жағдайларда дизайн күрделілігі неғұрлым жұмсақ режимде жұмыс істеуге байланысты механикалық турбиналармен тең болады.

Өзектілігі

Жақсы өнімділікке қарамастан, қазіргі уақытта электр турбиналары жаппай шығарылатын автомобильдерде кеңінен қолданылмайды. Бұл олардың жоғары құны мен күрделілігіне байланысты. Сонымен қатар, механикалық турбиналардың жетілдірілген нұсқалары (егіз айналдыру және айнымалы геометрия) бастапқы модификацияларға қарағанда (аз дәрежеде болса да) анағұрлым төмен бағамен ұқсас артықшылықтарға ие. Қазір EST Формула 1 қозғалтқышында Ferrari-ді пайдаланады. Honeywell компаниясының айтуынша, электр турбиналарын жаппай пайдалану алдағы онжылдықтың басында басталады. Айта кету керек, электр зарядтағыштары Honda Clarity сияқты кейбір өндірістік көліктерде бұрыннан қолданылған, өйткені олар қарапайым.

Ең қарапайым және қолдан жасалған механизмдер

Онжылдықтың басында нарықта қарапайым, арзан машиналар, мысалы, электр турбиналары деп аталатын компьютерлік салқындатқыштар пайда болды. Олар кірісте орналасқан және батареямен жұмыс істейді. Мұндай электр турбиналарын карбюраторда да, инжекторда да қолдануға болады. Өндірушілердің айтуынша, олар қозғалтқышқа түсетін ауа ағынын арттырады, оны жеделдетеді, бұл өнімділікті 15% -ға дейін арттырады. Бұл жағдайда әдетте параметрлер (айналымдар, ағын, қуат) көрсетілмейді. Мұндай электр турбиналарын көлікке өз қолыңызбен орнату өте оңай.

Алайда, шын мәнінде, олардың электр қозғалтқыштары бірнеше жүз ваттқа дейін дамиды, бұл ағынның көлемін ұлғайту үшін жеткіліксіз, өйткені бұл үшін шамамен 4 кВт қажет. Сондықтан мұндай құрылғы кірісте елеулі кедергі болады, нәтижесінде, керісінше, өнімділік төмендейді. Ең жақсы жағдайда одан шығын аз болады, бұл динамикаға айтарлықтай әсер етпейді.

Сонымен қатар, Интернетте сіз өз қолыңызбен электр турбинасын жасау бойынша әзірлемелерді таба аласыз. Жоғарыда аталған арзан нұсқалардан айырмашылығы, олар 17 кВт-қа дейінгі қуаты және 50-70 В кернеуі бар орталықтан тепкіш компрессор мен щеткасыз қозғалтқыштың негізінде жасалған, өйткені тек осындай қозғалтқыш жеткілікті айналу моментін қамтамасыз ете алады және компрессорды айналдыру жылдамдығы. Қозғалтқыш жылдамдық реттегішімен жабдықталуы керек. Бұл жүйе аралық салқындатқышты қажет етпейді - ол үшін суық қабылдау жеткілікті. Осы типтегі электр турбинасын орнату генераторды (90-100 А үшін) және аккумуляторды (ток шығысы жоғары сыйымдылығы үшін) ауыстыруды қажет етуі мүмкін. Компрессордың айналу жылдамдығы дроссельдің орналасуымен анықталады. Сонымен қатар, тәуелділік сызықтық емес, экспоненциалды.

Энергияны көп тұтынуға байланысты 1,5 литрге дейінгі шағын қозғалтқыштары бар автомобильдер үшін осындай электр турбиналарын жасаған жөн. Сонымен қатар, қозғалтқыштың көлемі неғұрлым үлкен болса, супер зарядтағыш соғұрлым аз күшейткіш қысым жасай алады. Сонымен, 0,7 литрлік қозғалтқышта ол 0,4-0,5 бар, 1,5 литр үшін - 0,2-0,3 бар болады. Сонымен қатар, мұндай супер зарядтағыш қыздыруға байланысты максималды өнімділікте ұзақ уақыт жұмыс істей алмайды. Дегенмен, контроллерді күштеп белсендіру үшін конфигурациялауға болады.

Компоненттерінің қымбаттығына байланысты мұндай электр турбинасын жасау өте қымбатқа түседі. Пікірлер өнімділіктің өлшенетін өсімін көрсетеді.

Дизайн тұрғысынан бұл механизмдер, жоғарыда аталған арзан опциялар сияқты, электрлік зарядтағыштар болып табылады. Дегенмен, олар жиі қате түрде электр турбиналары деп аталады. Қазір нарықта үйде жасалғанға жақынырақ маңыздырақ брендтік қозғалыстар бар.

CV

Электр турбиналары механикалық турбиналарға қарағанда сезімтал, өнімді және тиімді және қосымша мүмкіндіктерге ие. Сонымен қатар, бір жағынан, олар күрделі дизайнға ие, бірақ, екінші жағынан, олар неғұрлым қолайлы жағдайларда жұмыс істейді.