Матеріал з Енциклопедія журналу "За кермом"
ІДЕЯ застосувати в автомобілях газотурбінні двигуни виникла давно. Але лише за останні кілька років їх конструкція досягла того рівня досконалості, яка дає їм право на існування.
Високий рівень розвитку теорії лопаткових двигунів, металургії і техніки виробництва забезпечує тепер реальну можливість створення надійних газотурбінних двигунів, здатних з успіхом замінити на автомобілі поршневі двигуни внутрішнього згоряння.
Що являє собою газотурбінний двигун?
На рис. показана принципова схема такого двигуна. Ротаційний компресор, що знаходиться на одному валу з газовою турбіною, засмоктує повітря з атмосфери, стискає його і нагнітає в камеру згоряння. Паливний насос, також приводиться в рух від вала турбіни, нагнітає паливо в форсунку, встановлену в камері згоряння. Газоподібні продукти згоряння надходять через направляючий апарат на робочі лопатки колеса газової турбіни і змушують його обертатися в одному, певному напрямку. Гази, які відпрацювали в турбіні, випускаються в атмосферу через патрубок. Вал газової турбіни обертається в підшипниках.
У порівнянні з поршневими двигунами внутрішнього згоряння газотурбінний двигун має досить істотні переваги. Правда, він теж ще не вільний від недоліків, але вони поступово ліквідуються у міру розвитку конструкції.
Характеризуючи газову турбіну, перш за все слід зазначити, що вона, як і парова турбіна, може розвивати більших обертів. Це дає можливість отримувати значну потужність від набагато менших за розмірами (в порівнянні з поршневими) і майже в 10 разів більше легких за вагою двигунів.
Обертальний рух вала є по суті єдиним видом руху в газовій турбіні, в той час як в двигуні внутрішнього згоряння, крім обертального руху колінчастого вала, має місце зворотно-поступальний рух поршня, а також складний рух шатуна. Газотурбінні двигуни не вимагають спеціальних пристроїв для охолодження. Відсутність тертьових деталей при мінімальній кількості підшипників забезпечують тривалу працездатність і високу надійність газотурбінного двигуна.
Для харчування газотурбінного двигуна використовується гас або палива типу дизельних.
Основна причина, яка стримує розвиток автомобільних газотурбінних двигунів, полягає в необхідності штучно обмежувати температуру газів, що надходять на лопатки турбіни. Це знижує коефіцієнт корисної дії двигуна і приводить до підвищеного питомій витраті палива (на 1 л. С). Температуру газу доводиться обмежувати для газотурбінних двигунів пасажирських і вантажних автомобілів в межах 600-700 ° С, а в авіаційних турбінах до 800-900 ° С тому, що ще дуже дороги високожаропрочние сплави.
В даний час вже існують деякі способи підвищення коефіцієнта корисної дії газотурбінних двигунів шляхом охолодження лопаток, використання тепла відпрацьованих газів для підігріву надходить в камери згоряння повітря, виробництва технічних газів в високо ефективних вільно-поршневих генераторах, що працюють по дизель-компресорного циклу з високим ступенем стиснення і т. д. Від успіху робіт в цій галузі багато в чому залежить вирішення проблеми створення високоекономічного автомобільного газотурбінного двигуна.
Принципова схема двохвального газотурбінного двигуна з теплообмінником
Більшість існуючих автомобільних газотурбінних двигунів побудовано за так званою двохвальною схемою з теплообмінниками. Тут для приводу компресора 1 служить спеціальна турбіна 8, а для приводу коліс автомобіля - тягова турбіна 7. Вали турбін пов'язані між собою. Гази з камери згоряння 2 спочатку надходять на лопатки турбіни приводу компресора, а потім на лопатки тягової турбіни. Повітря, що нагнітається компресором, перш ніж вступити в камери згоряння, підігрівається в теплообмінниках 3 за рахунок тепла, що віддається відпрацьованими газами. Застосування двохвальною схеми створює вигідну тягову характеристику газотурбінних двигунів, що дозволяє скоротити число ступенів у звичайній коробці передач автомобіля і поліпшити його динамічні якості.
З огляду на те, що вал тягової турбіни механічно не пов'язаний з валом турбіни компресора, число його оборотів може змінюватися в залежності від навантаження, без помітного збитку на число обертів вала компресора. Внаслідок цього характеристика крутного моменту газотурбінного двигуна має вигляд, представлений на рис. де для зіставлення нанесена також і характеристика поршневого автомобільного двигуна (пунктиром).
З діаграми видно, що у поршневого двигуна у міру зменшення числа обертів, що відбувається під впливом зростаючого навантаження, крутний момент спочатку трохи зростає, а потім падає. У той же час у двохвального газотурбінного двигуна крутний момент автоматично зростає в міру збільшення навантаження. В результаті необхідність в перемиканні коробки передач відпадає або настає значно пізніше, ніж у поршневого двигуна. З іншого боку, прискорення при розгоні у двохвального газотурбінного двигуна будуть значно більшими.
Характеристика одновального газотурбінного двигуна відрізняється від показаної на рис. і, як правило, поступається, з точки зору вимог динаміки автомобіля, характеристиці поршневого двигуна (при рівній потужності).
Принципова схема газотурбінного двигуна з вільно-поршневим генератором газу
Велику перспективу має газотурбінний двигун. У цьому двигуні газ для турбіни виробляється в так званому вільно-поршневому генераторі, що представляє собою двотактний дизель і поршневий компресор, об'єднані в загальному блоці. Енергія від поршнів дизеля передається безпосередньо поршням компресора. З огляду на те, що рух поршневих груп здійснюється виключно під дією тиску газів і режим руху залежить тільки від протікання термодинамічних процесів в дизельному і компресорних циліндрах, такий агрегат і називається вільно-поршневим. У його середній частині розташований відкритий з двох сторін циліндр 4, що має прямоточну щелевую продування, в якому протікає двотактний робочий процес із запалюванням від стиснення. У циліндрі опозитно переміщаються два поршня, один з яких 9 під час робочого ходу відкриває, а під час зворотного ходу закриває вихлопні вікна, прорізані в стінках циліндра. Інший поршень 3 також відкриває і закриває продувні вікна. Поршні пов'язані між собою легким рейковим або важільним синхронизирующим механізмом, що не показаним на схемі. Коли вони зближуються, повітря, укладений між ними, стискається; до моменту досягнення мертвої точки температура повітря, що стискається стає достатньою для запалення палива, яке впорскується через форсунку 5. В результаті згорання палива утворюються гази, що володіють високою температурою і тиском; вони змушують поршні розійтися в сторони, при цьому поршень 9 відкриває вихлопні вікна, через які гази спрямовуються в газосборнік 7. Потім відкриваються продувні вікна, через які в циліндр 4 надходить стиснене повітря, витісняє з циліндра вихлопні гази, змішується з ними і також надходить в газосборнік. За той час, поки продувні вікна залишаються відкритими, стиснене повітря встигає очистити циліндр від вихлопних газів і заповнити його, підготувавши таким чином двигун до наступного робочого ходу.
З поршнями 3 і 9 пов'язані компресорні поршні 2, що рухаються в своїх циліндрах. При розходиться ході поршнів йде всмоктування повітря з атмосфери в компресорні циліндри, при цьому автоматичні впускні клапана 10 відкриті, а випускні 11 закриті. При зустрічному ході поршнів впускні клапани закриті, а випускні відкриті і через них повітря нагнітається в ресивер 6, навколишній дизельний циліндр. Поршні рухаються назустріч один одному за рахунок енергії повітря, що накопичилася в буферних порожнинах 1 під час попереднього робочого ходу. Гази зі збірки 7 надходять в тягову турбіну 8, вал якої з'єднаний з трансмісією. Наступне зіставлення коефіцієнтів корисної дії показує, що описаний газотурбінний двигун вже зараз за своєю ефективністю не поступається двигунів внутрішнього згоряння:
дизель 0,26-0,35
Двигун бензиновий 0,22-0,26
Газова турбіна з камерами згоряння постійного обсягу без теплообмінника 0,12-0,18
Газова турбіна з камерами згоряння постійного обсягу з теплообмінником 0,15-0,25
Газова турбіна з вільно-поршневим генератором газу 0,25-0,35
Таким чином, ККД кращих зразків турбін не поступається ККД дизелів. Тому не випадково кількість експериментальних газотурбінних автомобілів різного типу зростає з кожним роком. Всі нові фірми в різних країнах оголошують про свої роботи в цій галузі.
Схема реального газотурбінного двигуна
Цей двокамерний двигун, без теплообмінника, має ефективну потужність 370 л. с. Паливом для нього служить гас. Швидкість обертання валу компресора досягає 26 000 об / хв, а швидкість обертання валу тягової турбіни від 0 до 13 000 об / хв. Температура газів, що надходять на лопатки турбіни, дорівнює 815 ° Ц, тиск повітря на виході з компресора - 3,5 ат. Загальна вага силової установки, призначеної для гоночного автомобіля, становить 351 кг, причому газопроізводящая частина важить 154 кг, а тягова частина з коробкою передач і передачею на провідні колеса - 197 кг.
