Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Газотурбинные двигатели температура газа

Газотурбинный двигатель: Устройство и принцип работы

  • Отличительные черты
  • Газотурбинный двигатель принцип работы
  • Устройство газотурбинного двигателя
  • «Минус» и «плюс» мотора
  • Виды газотурбинных двигателей

Сегодня среднестатистический обыватель знаком с устройством и принципом работы мотора внутреннего сгорания, а вот газотурбинный двигатель, приводит пользователя в тупик. Тем не менее принцип действия турбинного агрегата намного проще поршневого мотора. Из-за особенностей эксплуатации, первый нашёл применение в авиации, второй установлен на 90% штатных автомобилей.

По классификации, силовая установка относится к тепловым устройствам, поскольку трансформирует выделившийся напор от горения в работу механики. В противовес агрегату с поршнями, проходящее преобразование течёт в непрерывной газовой струе, а это влияет на конструкцию и эксплуатацию. Попытки установить газотурбинный мотор на машины предпринимаются постоянно, однако массового развития идея не получила.

Устройство и принцип работы агрегата

По своей конструкции движок не очень сложный, он представлен камерой сгорания, где оборудованы форсунки и свечи зажигания, которые необходимы для подачи горючего и добычи искрового заряда. Компрессор оснащен на валу вместе с колесом, обладающим особыми лопатками.

Помимо этого мотор состоит из таких составляющих как — редуктор, канал впуска, теплообменник, игла, диффузор и выпускной трубопровод.

Во время вращения компрессорного вала, воздушный поток, поступающий через канал впуска, захватывается его лопастями. После увеличения скорости компрессора до пятисот м в секунду, он нагнетается в диффузор. Скорость у воздуха на выходе диффузора снижается, но давление увеличивается. Затем воздушный поток оказывается в теплообменнике, где происходит его нагрев за счет отработанных газов, а после этого воздух подается в камеру сгорания.

Вместе с ним туда попадает горючее, которое распыляется через форсунок. После того как топливо перемешивается с воздухом, создается топливно-воздушная смесь, которая загорается благодаря искре получаемой от свечи зажигания. Давление в камере при этом начинает увеличиваться, а турбинное колесо приводится в действие за счет газов попадающих на лопатки колеса.

В итоге осуществляется передача крутящего момента колеса на трансмиссию авто, а отходящие газы выбрасываются в атмосферу.

Тысяча градусов под капотом: как появились и почему вымерли газотурбинные легковушки?

Благодаря бесспорным успехам мощных газотурбинных силовых агрегатов они давным-давно вытеснили поршневые двигатели из многих смежных отраслей хозяйства и воздушного транспорта. Что же касается легковых автомобилей, то «газотурбинная эйфория», родившаяся вскоре после Второй мировой войны, через двадцать с небольшим лет тихо и навсегда скончалась, оставив истории лишь несколько единичных образцов столь необычной техники.

Это незаметное для мировой автомобильной индустрии событие выглядело тем более странным, что создание самоходных повозок с газотурбинными устройствами началось ещё в конце XVII века, и в дальнейшем, вплоть до 1950-х годов, их неспешно доделывали, превратив в особые компактные «моторы» для транспортных нужд. Примером уникальной самодвижущейся древности с такого рода «двигателем» считается тележка с паровым котлом, которую в 1672 году изобрёл фламандский миссионер и учёный Фердинанд Вербист. Его идея заключалась в направлении струи горячего пара на горизонтальное колесо с лопатками, приводившее в движение два передних колеса.​

Макет самоходной повозки Фердинанда Вербиста с древним прообразом газотурбинной установки

Так что же это за уникально простой, компактный и мощный газотурбинный двигатель (ГТД) в одновальном исполнении для легковушек? В обобщенной конструктивной схеме он снабжался радиальным компрессором, засасывавшим воздух в камеры сгорания, куда впрыскивалось недорогое жидкое топливо. При воспламенении горючей смеси раскаленные газы раскручивали как компрессор-нагнетатель воздуха, так и тяговую турбину с шестеренчатым редуктором, понижавшим число оборотов до значения, приемлемого для привода колес автомобиля.

Упрощенная схема автомобильного ГТД: 1 — компрессор, 2 — тяговая турбина, 3 — турбина компрессора

Газотурбинные автомобили компании Rover

Первый в мире газотурбинный автомобиль Rover Jet-1 удивлял всех прохожих в Лондоне. 1950 год

Опробование второго более мощного турбоавтомобиля Rover Jet-1. 1952 год (фото R. Gerelli)

Публичная демонстрация автомобиля Jet-1 сопровождалась шумной рекламной кампанией (фото R. Gerelli)

Презентация Jet-1 состоялась в марте 1950 года. Через два года начались испытания модернизированного варианта с 230-сильной турбиной Т-8. Такой ГТД отличался плавностью работы, но слишком высокая рабочая температура потребовала применения редких и дорогих материалов, а расход авиационного керосина достигал 50 литров на 100 километров.

Читать еще:  Электроника 012 схема управления двигателем

Единственная сохранившаяся машина Rover Jet-1 образца 1950 года в лондонском Музее науки (фото автора)

В 1956 году фирма Rover вернулась к ГТД второго поколения с новой 100-сильной турбиной 2S/100 и теплообменником производства компании British Leyland. Ее смонтировали в задней части полноприводного автомобиля Т-3 с двухместным стеклопластиковым кузовом на сварной раме с алюминиевыми усилителями и дисковыми тормозами. Максимальная скорость достигала 170 км/ч, расход топлива сократился до 22 литров, но в то время компания уже не могла выделить крупных средств на продолжение этих работ.

Испытания уникального полноприводного концепт-кара Rover T-3 с задней установкой ГТД. 1956 год

Газотурбинный автомобиль-купе T-3 в экспозиции Heritage Motor Centre в Гайдоне

Несмотря на огромные расходы, в 1961-м появилась переднеприводная легковушка Т-4 с 140-сильным агрегатом 2S/140 переднего расположения и четырехместным несущим кузовом для будущей серийной модели Rover-2000. Она стала самой быстроходной дорожной машиной с ГТД (около 200 км/ч) и с места до «сотни» разгонялась за восемь секунд.

Фото 1. Последняя газотурбинная машина компании Rover с кузовом, созданным для серийной модели Rover-2000

Дополнением к серии Т-4 был удлиненный приземистый спортивный вариант Rover-BRM с задним приводом и двухместным кузовом купе, созданный совместно с фирмой BRM. До середины 1970-х он служил престижным и дорогим дорожным автомобилем и участвовал в крупных международных автогонках.

Престижный дорожный вариант спортивного автомобиля Rover-BRM с газовой турбиной. 1965 год

Газотурбинный уникум FIAT

Спортивная газотурбинная машина FIAT Turbina в Museo dell’ Automobile di Torino. 1954 год

Автомобиль FIAT Turbina с задним силовым агрегатом и автоматической трансмиссией модели 8001

Главной особенностью 300-сильного ГТД заднего расположения была особая трансмиссия модели 8001, автоматически регулировавшая рабочие режимы компрессора и тяговой турбины. При этом свежий воздух засасывался спереди и подавался к заднему компрессору по центральному тоннелю.

При желании на этой схеме можно разглядеть всю «механическую мельницу» машины FIAT Turbina

Автомобиль получил стальную трубчатую раму и независимую подвеску всех колес со стабилизаторами поперечной устойчивости. После испытаний и демонстрации на Туринском автосалоне в нём выявили множество недостатков, и дальнейшие работы пришлось прекратить.

«Огненные птицы» от корпорации General Motors

Известный дизайнер Харли Эрл во главе своего «огненного семейства» уникальных автомобилей Firebird

В декабре 1953 года с первой экспериментальной газотурбинной машиной Firebird XP-21 (Firebird I) сразу же произошел конфуз: ее приняли за поставленный на четыре больших колеса одноместный реактивный истребитель с короткими крылышками, хвостовым стабилизатором и задним соплом.

Странное авиационно-автомобильное сочетание по-американски — концепт-кар Firebird XP-21. 1953 год

Нелетающий истребитель GM Firebird XP-21 со спрятанным в корпусе ГТД и декоративным оперением

Но, присмотревшись, под стеклопластиковым кузовом можно было увидеть 380-сильный ГТД GT-302 компании Allison, весивший около 350 кг и разгонявший бутафорский самолет до 370 км/ч. Он снабжался по-автомобильному независимой подвеской и внутренними тормозными барабанами.

Необычный газотурбинный автомобиль-самолет Firebird I в экспозиции GM Heritage Center

Через три года был представлен более строгий четырехместный вариант Firebird II (XP-43) с новым ГТД GT-304 в 200 сил при рабочем режиме 25 тысяч оборотов в минуту и дисковыми тормозами. На этот раз он был похож на гоночный автомобиль с передним остроконечным обтекателем и упрятанными в него фарами, небольшими боковыми крыльями, прозрачной крышей-фонарём и хвостовым оперением. В отличие от первенца его напичкали мелкими оригинальностями: двухсекционные двери, бортовой компьютер, блок автоматического переключения световых приборов.

Второй газотурбинный вариант Firebird II, напоминавший рекордно-гоночный автомобиль. 1956 год

Харли Эрл с удовольствием позирует у своего уникального газотурбинного детища GM Firebird II

Вскоре за ним появилась третья приземистая шестиметровая «сказочная огненная птица» Firebird III (XP-73) с 225-сильным двигателем GT-305 и самолетным фонарём, ощетинившаяся всеми своими стеклопластиковыми кузовными панелями и ножевидными кромками дверей, крыльев и всевозможных хвостов. Для питания бортовых систем, кондиционера и круиз-контроля служил миниатюрный бензиновый движок в 10 сил.

Третий газотурбинный уникум Firebird III с уймой полезных и бесполезных крыльев и крылышек. 1958 год

Читать еще:  Что такое принудительное охлаждение двигателя

Достоинства и недостатки газотурбинных двигателей

Газотурбинные двигатели во многом превосходят поршневые моторы. Благодаря способности развивать большие обороты устройство отличается высокой мощностью, но при этом имеет компактные размеры. В качестве топлива используют керосин или дизельное топливо. Масса газотурбинного двигателя в 10 раз меньше массы аналогичного по мощности двигателя внутреннего сгорания. Ввиду отсутствия трущихся деталей газовая турбина не требует наличия разветвленной системы охлаждения.

Инженеры Chrysler, создавшие единственный мелкосерийный автомобиль с газотурбинным двигателем, опытным путем выяснили, что лучшее топливо для ГТД — обычный керосин

Основным недостатком становится повышенный расход топлива, вызванный необходимостью искусственного ограничения температуры газов. Это ограничение связано с тем, что в случае с автомобилем двигатель устанавливается внутри кузова, а не под крылом, как, у самолета, например. Соответственно, температура двигателя не должна превышать 700 градусов. Металлы, устойчивые к таким температурам, имеют очень высокую стоимость. Эта проблема часто вызывает интерес у ученых, и в скором будущем должны появиться газотурбинные двигатели, обладающие хорошими показателями экономичности. Очевидно, это произойдет только в том случае, если будет решена проблема отвода большого количества тепла, что позволит ставить на автомобили «незадушенные» двигатели, в конструкции которых проблема экономичности решена. Среди недостатков также следует отметить высокие требования к качеству атмосферного воздуха и отсутствие возможности торможения двигателем.

Проблемы разработки малых ТГД

При уменьшении размера ГТД происходит уменьшение КПД и удельной мощности по сравнению с обычными турбореактивными двигателями. При этом удельная величина расхода топлива так же возрастает; ухудшаются аэродинамические характеристики проточных участков турбины и компрессора, снижается КПД этих элементов. В камере сгорания, в результате уменьшения расхода воздуха, снижается коэффициент полноты сгорания ТВС.

Снижение КПД узлов ГТД при уменьшении его габаритов приводит к уменьшению КПД всего агрегата

Поэтому, при модернизации модели, конструкторы уделяют особое внимание увеличению КПД отдельно взятых элементов, вплоть до 1%.

Для сравнения: при увеличении КПД компрессора с 85% до 86%, КПД турбины возрастает с 80% до 81%, а общий КПД двигателя увеличивается сразу на 1,7%. Это говорит о том, что при фиксированном расходе топлива, удельная мощность увеличится на ту же величину.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Рис. 2. Схема ТРДФ. 1 – турбокомпрессор; 2 – блок форсажной камеры; 3 – сопло; 4 – форсажная камера; 5 – стабилизаторы пламени.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) (рис. 2) широко применяется на скоростных боевых самолётах.

Как и в ТРД, основу внутреннего контура ТРДФ составляет турбокомпрессор (газогенератор), включающий в себя компрессор, камеру сгорания и турбину. Между турбокомпрессором и соплом (обычно регулируемым, т. е. с изменяемой площадью потока) установлена форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее (керосин), подаваемое через форсунки форсажной камеры. Стабилизаторы пламени обеспечивают устойчивое горение обеднённой кислородом топливной смеси (часть кислорода воздуха использована при горении керосина в камере сгорания турбокомпрессора). За счёт сжигания дополнительного топлива происходит увеличение тяги (форсирование, форсаж – франц. forçage, от forcer – вынуждать, чрезмерно напрягать) на 50% и более, что связано, однако, с резким повышением расхода топлива. Поэтому режим форсажа используется кратковременно на взлёте для сокращения длины разбега и в воздушном бою для увеличения скороподъёмности и скорости полёта. Использование форсажных режимов на крейсерском полёте экономически невыгодно.

Основными характеристиками двигателя любого типа являются: масса двигателя $m_<дв>$ и его габариты; стартовая тяга двигателя $P_<дв0>$; удельная масса двигателя $g_ <дв>= m_<дв>/P_<дв0>$ (кг/Н); удельный расход двигателя $C_р$, показывающий расход массы топлива на создание 1Н тяги в час, [кг/(Н×ч)]; высотно-скоростные характеристики $P = f(H, V)$ и $C_р = f(H,V)$; ресурс двигателя.

Качественный характер высотно-скоростных характеристик ГТД включает тяговые и высотные характеристики, которые определяются главным образом степенью повышения давления в компрессоре, степенью двухконтурности и температурой газа перед турбиной.

Потребная для определённых условий полёта тяга (мощность) обеспечивается выбором соответствующего режима работы силовой установки. Лётчик управляет режимом работы двигателя с помощью рычага управления двигателем (РУД), перемещение которого регулирует, т. е. увеличивает или уменьшает – дросселирует (от нем. drosseln – душить, сокращать), расход топлива.

Большинство современных пассажирских самолётов оборудуются вспомогательной силовой установкой (ВСУ) – небольшим ГТД, вся мощность которого используется не для создания тяги, а для снабжения энергией бортовых систем самолёта. При стоянке на земле ВСУ обеспечивает работу электросистем, радиооборудования, системы кондиционирования самолёта, техническое обслуживание самолёта и его систем, запуск основных двигателей, что делает самолёт независимым от аэродромных источников энергии. ВСУ может применяться и как источник энергии в аварийных ситуациях в полёте.

Читать еще:  Что такое пневмоподушки для двигателя

Разновидность ТРД – турбовентиляторный двигатель.

Двигатель самолёта является основным источником шума в кабине и на местности. Для удовлетворения требований по уровню допустимого шума в конструкции самолёта используют материалы и устройства, изолирующие источник шума или поглощающие шум. Звукоизоляционные прокладочные материалы ограждают источник шума и ослабляют звук при его проникновении через ограждение (см. в статье ).

Малые ГТД: области применения

Микротурбины применяют в промышленности и быту в качестве автономных источников электроэнергии.
— Мощность микротурбин составляет 30-1000 кВт;
— объем не превышает 4 кубических метра.

Среди преимуществ малых ГТД можно выделить:
— широкий диапазон нагрузок;
— низкая вибрация и уровень шума;
— работа на различных видах топлива;
— небольшие габариты;
— низкий уровень эмиссии выхлопов.

Отрицательные моменты:
— сложность электронной схемы (в стандартном варианте силовая схема выполняется с двойным энергопреобразованием);
— силовая турбина с механизмом поддержания оборотов значительно повышает стоимость и усложняет производство всего агрегата.

На сегодняшний день турбогенераторы не получили такого широкого распространения в России и на постсоветском пространстве, как в странах США и Европы в виду высокой стоимости производства. Однако, по проведенным расчетам, одиночная газотурбинная автономная установка мощностью 100 кВт и КПД 30% может быть использована для энергоснабжения стандартных 80 квартир с газовыми плитами.

Коротенькое видео, использования турбовального двигателя для электрогенератора.

За счет установки абсорбционных холодильников, микротурбина может использоваться в качестве системы кондиционирования и для одновременного охлаждения значительного количества помещений.

Автомобильная промышленность

Малые ГТД продемонстрировали удовлетворительные результаты при проведении дорожных испытаний, однако стоимость автомобиля, за счет сложности элементов конструкции многократно возрастает. ГТД с мощностью 100-1200 л.с. имеют характеристики, подобные бензиновым двигателям, однако в ближайшее время не ожидается массовое производство таких авто. Для решения этих задач необходимо усовершенствовать и удешевить все составляющие части двигателя.

По иному дела обстоят в оборонной промышленности. Военные не обращают внимание на стоимость, для них важнее эксплуатационные характеристики. Военным нужна была мощная, компактная, безотказная силовая установка для танков. И в середине 60-ых годов 20 века к этой проблеме привлекли Сергея Изотова, создателя силовой установки для МИ-2 — ГТД-350. КБ Изотова начало разработку и в итоге создало ГТД-1000 для танка Т-80. Пожалуй это единственный положительный опыт использования ГТД для наземного транспорта. Недостатки использования двигателя на танке — это его прожорливость и привередливость к чистоте проходящего по рабочему тракту воздуху. Внизу представлено короткое видео работы танкового ГТД-1000.

Малая авиация

На сегодняшний день высокая стоимость и низкая надежность поршневых двигателей с мощностью 50-150 кВт не позволяют малой авиации России уверенно расправить крылья. Такие двигатели, как «Rotax» не сертифицированы на территории России, а двигатели «Lycoming», применяемые в сельскохозяйственной авиации имеют заведомо завышенную стоимость. Кроме того, они работают на бензине, который не производится в нашей стране, что дополнительно увеличивает стоимость эксплуатации.

Именно малая авиация, как ни одна другая отрасль нуждается в проектах малых ГТД. Развивая инфраструктуру производства малых турбин, можно с уверенностью говорить о возрождении сельскохозяйственной авиации. За рубежом производством малых ГТД занимается достаточное количество фирм. Сфера применения: частные самолеты и беспилотники. Среди моделей для легких самолетов можно выделить чешские двигателиTJ100A, TP100 и TP180, и американский TPR80.

В России со времен СССР малые и средние ГТД разрабатывались в основном для вертолетов и легких самолетов. Их ресурс составлял от 4 до 8 тыс. часов,

На сегодняшний день для нужд вертолета МИ-2 продолжают выпускаться малые ГТД завода «Климов» такие как: ГТД-350, РД-33,ТВЗ-117ВМА, ТВ-2-117А, ВК-2500ПС-03 и ТВ-7-117В.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector