Газотурбинный двигатель на автомобиле: Как газотурбинные двигатели покоряли автопром

Содержание

Как газотурбинные двигатели покоряли автопром

Казалось бы, легкий, с меньшим количеством подвижных деталей, невероятно мощный и компактный газотурбинный двигатель просто обязан был разжиться собственной нишей в автопроме, но нет. Перспективный мотор разжился только исторической сводкой, да парой-тройкой оставшихся в живых музейными экспонатами. Что пошло не так у этого по всем статьям крутого движка?

Говорят, чем проще, тем гениальнее, стало быть, газотурбинный двигатель (ГТД) натуральный вундеркинд. Его принцип до безобразия прост: в камеру сгорания подается сжатый воздух и воспламеняется, а образовавшийся в результате горячий газ раскручивает лопатки турбины — вот вам и вся механика. Авиапромышленность сразу распробовала все достоинства ГТД, следом присоединилась энергетика. А что же автопром? Ведь если честно, то пра-пра-прародитель современного ГТД появился еще в 1672 году именно на колесной технике, когда Фердинанд Вербист показал свою необычную телегу. В движение ее приводил механизм с лопатками, раскручиваемый струей горячего пара. Это был самый первый ГТД.

Дизайн первого автомобиля с ГТД был на большого любителя. Но тут куда важнее не форма, а содержание

Первые же осмысленные потуги в этом направлении были совершены в послевоенные годы, причем, сразу несколькими компаниями по обе стороны Атлантики. В Европе это был Rover. Компания три года трудилась над созданием экспериментального родстера с задним расположением мотора, которым в 1950 году стал 100-сильный красавец ГТД под капотом далеко не самого красивого Rover Jet-1. Нагнетающий компрессор этого агрегата крутился аж до 40 тысяч оборотов в минуту, а сам вал турбины выдавал 26 тысяч оборотов в минуту. Весь этот дикий крутящий момент подавался прямиком на колеса через понижающую передачу. Классической коробки передач на Jet-1 не было. Все с движком было хорошо, вот только грелся он нещадно (до 1 200 градусов Цельсия!), да и расход горючки в полсотни литров на 100 километров был неприличным.

Дизайнер Харли Эрл на фоне своих сногсшибательных тачек с ГТД: «Файерберды» от GM внешне были чертовски хороши, в отличие от Rover Jet-1

Практически в это же время в Штатах начинают строить свои тачки с ГТД. General Motors выдавал чисто дизайнерские концепты пера легендарного Харли Эрла с бутафорскими крыльями, Ford пытался «раскрутить» Thunderbird первого поколения, а Chrysler пошел дальше всех. Мало того, что компания выпустила 50 ходовых прототипов, так еще и пригласила простых американцев для проведения тест-драйва и составления списка доработок. Мотор по тем временам оказался чертовски привлекательным, ему прочили светлое будущее. Причем, не только на массовом рынке, но и в автоспорте.

Собственно, автоспорт был своего рода лакмусовой бумажкой: перед поступлением на гражданку в нем тестировали все агрегаты на предмет надежности и эффективности. Например, ГТД все еще очень сильно грелся, в силу конструктивных особенностей не позволял тормозить двигателем и шумел так, будто это не автомобиль, а Boeing в предполетном режиме. Параллельно с британцами исключительно из спортивного интереса свои автомобили с ГТД построили Renault и Fiat. Получилось неплохо, но компании быстро потеряли к агрегатам интерес. Однако же это нисколько не помешало другим оттачивать и упрощать технологию, избавляя ГТД от «болячек».

Потом были участие в 24-часовой гонке на выносливость в Ле-Мане, следом не менее престижный «Инди-500» по другую сторону океана. Но, как говорится, не в коня корм. Технология ГТД на тот момент уже лишилась большинства недостатков, в пору было переводить спортивные рельсы перспективного двигателя в сторону гражданки, но увы. Автомобильные компании потратили немало усилий на доводку технологии ГТД до товарного вида, однако вскоре после этого энтузиазм закончился: в один момент все компании Америки и Европы свернули проекты без вразумительного объяснения причин. У ГТД были и остаются свои нюансы управления, однако едва ли это можно считать непреодолимым препятствием на пути к массовому использованию агрегата. Тем не менее, «доктор сказал в морг, значит в морг».

Автомобильные газотурбинные двигатели — Журнал «АВТОТРАК»


С 1955 года на Горьковском автомобильном заводе велись работы по созданию газотурбинного двигателя. Сначала при создании первых образцов экспериментальной серии «ГАЗ-99», считалось, что для применения авиационных газотурбинных двигателей надо создать регенератор тепла выхлопных газов – теплообменник, найти компоновочное решение всего двигателя и трансформировать накопленные знания по компрессорам, турбинам и камерам сгорания в область малых размерностей и мощностей автомобильных двигателей.


Использование опыта авиационного двигателестроения себя не оправдало. Тем не менее в 1956 году были изготовлены первые макетные образцы ГТД ГАЗ*99 мощностью 130 л.с. Двигатели испытывались по узлам и в сборе, но без теплообменника, ленточная матрица которого не выдерживала тепловых ударов. После проб и ошибок, преодолев целый ряд неудач, выяснилось, что это только первая веха на пути к автомобильному газотурбинному двигателю. Созданный образец двигателя обладал низкой топливной экономичностью. К тому же стало ясно, что все его элементы нуждаются в усовершенствовании.


В 1957 году разработчики сделали первую попытку создания автомобильного ГТД (АГТД) компактной конструкции, основные узлы которого располагались в едином литом чугунном корпусе. В конструкции этого двигателя впервые применена компоновка с двумя расположенными по бокам двигателя дисковыми вращающимися теплообменниками – специфического для АГТД узла со сложной системой уплотнений. Длительная работа над этим узлом привела к созданию вращающегося регенератора арманного типа. Дальнейшее повышение надежности и технологичности конструкции привело к созданию в 1962 году первого в нашей стране полностью работоспособного двигателя ГАЗ-99Б мощностью 175 л.с. Было изготовлено три образца, прошедших испытания на стенде, включая 100-часовые ресурсные. По результатам испытаний получен минимальный удельный расход топлива 320 г/л.с.ч. Один из образцов был установлен на макетном шасси, и были проведены первые дорожные испытания.


Дальнейшее развитие принципов, заложенных в разрабатываемую конструкцию АГТД и его элементов, нашло отражение в модели ГАЗ-99В мощностью 250 л.с., построенной в 1965 году. Двигатель прошел обширную программу стендовых испытаний, включая 300-часовые ресурсные. Применение в его конструкции внутренних корпусов из жаропрочного листового материала обеспечило надежную термоизоляцию наружного корпуса, благодаря чему он был выполнен из алюминиевого сплава. В результате вес двигателя составил 430 кг. В результате доводочных работ на стенде было получено расчетное значение мощности при удельном расходе топлива – 250 г/л.с.ч.


Для проведения дорожных испытаний на базе этого двигателя в 1966 году была разработана модификация ГАЗ-99Г. В отличие от предшествующей модели в ее конструкцию ввели систему блокировки валов турбокомпрессора и тяговой турбины. Эта система предотвращала возможность резкого возрастания оборотов тяговой турбины при разрыве потока мощности, например, при переключении передач и осуществляет режим торможения двигателем.


Было изготовлено два образца, прошедших испытания на шасси в объеме 1000 моточасов. Дорожные испытания проводились на переоборудованном под установку АГТД ГАЗ-99Г шасси повышенной проходимости полным весом 12 тонн, при этом была сохранена трансмиссия бронетранспортера, включая КПП и сцепление.


Созданная дорожная лаборатория обеспечила проведение испытания в объеме 20 000 км, включая испытательные пробеги по маршруту: Горький – Москва (Бронницы) – Горький; Горький – Ленинград (Горелово) – Горький, и по лесному бездорожью северных районов Горьковской области.


В 1969 году была разработана модель двигателя ГАЗ-99Д мощностью 350 л.с., подводящая итог работы над экспериментальной серией ГАЗ-99. В ее конструкции нашли отражение все наиболее характерные для серии особенности: 

— двухкорпусная система с наружным литым корпусом из алюминиевого сплава;

— дисковые карманные теплообменники, расположенные в боковых крышках корпуса;

— система блокировки валов и др.


Было изготовлено 8 образцов трех модификаций. В условиях стендовых испытаний получена мощность 380 л.с. и удельный расход топлива 204 – 210 г/л.с.ч. Двигатель выдержал 500-часовые ресурсные испытания. В 1973 году начались дорожные испытания следующей модификации автомобильного газотурбинного двигателя — ГАЗ-99 ДМ. Он был установлен на шассе седельного тягача магистрального автопоезда МАЗ-6423 общей массой 41 – 43 тонны. Первые образцы автомобилей испытывались с механической коробкой передач и многодисковым сцеплением, разработанным венгерским производителем «Аутокут». В дальнейшем для столь мощного двигателя была разработана отечественная трансмиссия на базе коробки передач Ярославского моторного завода.


В 1974 году дорожные испытания двигателя продолжились на полноприводном автомобиле высокой проходимости Кременчугского автозавода. Общий пробег автомобилей с ГТД превысил 100 тыс. км. Был подготовлен переход к опытной эксплуатации автомобилей с газотурбинными двигателями в реальных условиях автопредприятий.


В 1977 году был разработан и утвержден технический проект унифи цированного семейства АГТД ГАЗ, включающего две модели: 902.10 мощностью 380 л.с. и 903.10, развивающий 600 л.с. Двигатели должны были в 80-е годы конкурировать с существующими дизелями по расходу топлива стоимости производства, ресурсу, превосходя их по габаритно-весовым показателям. Газотурбинные моторы превосходили дизельные двигатели простотой обслуживания и низкой токсичностью выхлопа.


В отличие от прежних конструкций ГАЗ-99 модели нового семейства выполнены с одним, расположенным сверху, теплообменником. Это существенно улучшало компоновку и облегчало обслуживание двигателя на шасси автомобиля. Применение в конструкции регулируемого соплового аппарата (РСА) силовой турбины и гомогенной камеры сгорания обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики по экономичности частичных режимов, динамике, торможению и совместной работе с трансмиссией при низкой токсичности выхлопа.


Для нового семейства была разработана конструкция гибридной камеры сгорания. Сжигание топлива в гибридных камерах гомогенных смесей позволило снизить выброс токсичных компонентов и значительно повысить ресурс камеры. По токсичности выхлопа двигатели значительно превосходили перспективные европейские нормы.


Успехи в разработке основных узлов позволили увеличить степень повышения давления до 6 и температуру газов до 1030 с0. Оба эти мероприятия резко улучшили габаритно-весовые показатели и обеспечили пологое протекание нагрузочной характеристики при минимальном удельном расходе топлива не более 170 г/л.с.ч. Создание оригинальной конструкции дискового секционного вращающегося регенератора является одним из наиболее важных достижений данного этапа работ. Стальной паяный или чугунный литой каркас диска имел практически неограниченный ресурс работы.


Сетчатые теплопередающие элементы конической формы обеспечивали требуемый тепловой режим каркаса и графитовых башмаков уплотнения. Степень регенерации теплообменника достигала 83 — 85%. Технологичная и надежная конструкция этого узла с учетом возможности легкой смены теплопередающих элементов и поперечины уплотнения снимали какие-либо ограничения по ресурсу двигателя.


Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме.


В 1791 году английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД. Русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 году разработал проект, а в 1900-м построил ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера. В нем была применена многоступенчатая газовая турбина. Испытания не были завершены из-за смерти Кузьминского.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ГТД


Принцип действия ГТД становится понятным из схем. Воздух из атмосферы засасывается компрессором, сжимается в нем и подается в камеру сгорания, куда одновременно с воздухом через форсунку подается топливо. В камере сгорания происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают в турбину компрессора, где часть их энергии преобразуется в механическую работу в колесе так называемой свободной или силовой турбины, связанной через редуктор непосредственно с трансмиссией автомобиля. В турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления в диапазоне от давления в камере сгорания до атмосферного.

Допустимая по условиям прочности материалов максимальная температура газов перед турбиной компрессора ГТД 900-1180 с0, что значительно ниже, чем в камере сгорания поршневого двигателя (1700-1800 с0), так как его рабочие части подвергаются воздействию высокой температуры газов постоянно. Для обеспечения более низкой температуры газа воздух подается в камеру сгорания ГТД в значительно большем количестве, чем требуется для процесса горения. Расход воздуха ГТД в 3-4 раза больше, чем дизеля. Поэтому у транспортных ГТД компрессор потребляет мощность почти вдвое большую полезной мощности, снимаемой с вала свободной турбины. Зато для ГТД не требуется громоздкой системы охлаждения.

Газотурбинный двигатель самолета. Фото. Строение. Характеристики.

 

Авиационные газотурбинные двигатели.

 

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

 

Принцип работы газотурбинного двигателя.

 

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после — в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

 

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

  • забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
  • сжатие – 2 (компрессор)
  • смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
  •  выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
  • Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

 

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

  • турбореактивные
  • турбовинтовые
  • турбовентиляторные
  • турбовальные

 

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс». 

 

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим признакам:

  • по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
  •  по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
  • по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
  • по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
  • по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

 

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.

 

 

Газотурбинный двигатель. Видео.

 

Полезные статьи по теме.

 

Ещё узлы и агрегаты

 

Газотурбинный двигатель

Газотурбинный двигатель успешно применяется в танках и авиации. К сожалению, ряд конструктивных ограничений не позволяет использовать эту прогрессивную конструкцию в качестве силовой установки для легкового автомобиля.

Преимущество двигателей этого типа в том, что у них самая большая удельная мощность среди существующих силовых установок, относящихся к двигателям внутреннего сгорания, до 6 кВт/кг. Кроме того, газотурбинный двигатель может работать на различных видах жидкого топлива, а не только на бензине или дизеле.

История создания газотурбинного двигателя

Первая газовая турбина была разработана в 1519 году. Она существенно отличалась от современных устройств и применялась в «сфере малой механизации». Турбина вращала вертел, предназначенного для жарки мяса. Использовалась газовая турбина и для приведения в движение повозки изобретателя Джона Барбера.

Один из первых газотурбинных двигателей для танков разработала компания BMW в 1944 году. Он был опробован на самоходной установке «Пантера»

В 1950 году компанией «Rover» был разработан газотурбинный двигатель, предназначенный для автомобилей. В результате появилась экспериментальная модель гоночного автомобиля «JET1».  Двигатель машины был расположен позади сидений, по бокам монтировались воздухозаборники, а на верхней задней части находились отверстия для выхода выхлопных газов. Скорость вращения турбины достигала 50 тысяч оборотов за 1 минуту. В качестве топлива использовался бензин, парафиновое масло и дизельное топливо. Максимальная скорость, с которой могла двигаться машина, составляла 140 км/ч. Из-за значительного расхода топлива автомобили с газотурбинным двигателем не пользовались особым спросом.

Единственный случай применения газотурбинного двигателя в конструкции мотоцикла — MTT Y2K Turbine Superbike с ДВС Rolls-Royce-Allison Model 250

Модернизировав устройство и сконструировав модель «BRM», копания «Rover» приняла участие в гоночных соревнованиях 1963 года и установила рекорд: машина разгонялась до скорости 229 км/ч. Позже в аналогичных соревнованиях участвовали и другие автомобильные производители. Например, компания «Howmet» выпустила модель «TX», которая работала на газотурбинном двигателе и неоднократно становилась гоночным фаворитом.

Единственная в истории модель серийного автомобиля с газотурбинным двигателем, предназначенного для передвижения по дорогам общего пользования, была выпущена американским концерном Chrysler в 1963 году. Пятьдесят экземпляров автоьмобля под названием Chrysler Turbine были вручную собраны специалистами итальянского кузовного ателье Ghia. В продажу автомобили не поступали, а были розданы добровольцам, на два года для тестирования. Эксперимент прошёл удачно, но для запуска нового производства требовалась постройка завода по выпуску двигателей нового типа, и концерн Chrysler не рискнул инвестировать большие деньги. В семидесятые годы, когда в США существенно ужесточились экологические нормы, и, вдобавок, начался топливный кризис, взвинтивший цены на нефть компания отказалась от продолжения разработок.

Устройство и принцип действия газотурбинного двигателя

Попадая в компрессор, воздух подвергается сжатию и нагреванию. Далее он поступает в камеру сгорания, куда также подается и часть топлива. Из-за высокой скорости воздух и топливо воспламеняются при столкновении. Во время сгорания смеси выделяется энергия, которая преобразуется в механическую работу за счет вращения. Часть данной энергии используется для сжатия воздуха в компрессоре. Другая часть поступает в электрический генератор. После этого отработавшие газы отправляются в утилизатор.

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.

Двухвальный газотурбинный двигатель, оснащенный теплообменником

Этот тип двигателей встречается наиболее часто. По сравнению с  одновальными аналогами, данные устройства соответствуют более высоким требованиям к динамике автомобилей. Двухвальные агрегаты предполагают наличие специальной (для привода компрессора) и тяговой (для привода колес) турбин, валы которых не соединены. Такие двигатели позволяют улучшить динамические свойства машины и дают возможность сократить количество ступеней в коробке передач.

После отказа от массового производства автомобилей с газотурбинными двигателями компания Chrysler уничтожила большую часть тестовых экземпляров, чтобы «турбины не попали на авторазборки»

В отличие от поршневых моторов, двухвальные газотурбинные установки предполагают автоматическое возрастание крутящего момента при увеличении нагрузки.  Благодаря этому переключение коробки передач требуется значительно позже или вообще не требуется. При равной мощности автомобили с двухвальным газотурбинным двигателем разгоняются быстрее, чем машины с поршневыми моторами. Недостатками данного вида является сложность изготовления, увеличение размеров и веса вследствие наличия дополнительных деталей: теплообменника, газо- и воздухопроводов.

Газотурбинный двигатель со свободно-поршневым газовым генератором

На данный момент газотурбинные двигатели этой конструкции — самые перспективные для строительства автомобилей. Устройство представляет собой блок, объединяющий поршневой компрессор и двухтактный дизель. В средней части находится цилиндр с прямоточной продувкой, внутри которого располагается два связанных между собой специальным механизмом поршня. При схождении поршней происходит сжимание воздуха, и топливо воспламеняется. Сгоревшее топливо способствует образованию газов, которые при высокой температуре и давлении провоцируют расхождение поршней в стороны. Далее через выхлопные окна газы попадают в газосборник. Благодаря наличию продувочных окон в цилиндр проникает сжатый воздух, который способствует очищению от выхлопных газов и подготавливает двигатель к следующему циклу. После этого процесс повторяется.

Газотурбинный двигатель — это… Что такое Газотурбинный двигатель?

Газотурбинный двигатель (ГТД) — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.

В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения струёй газа лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг.

В качестве топлива могут использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь.

Основные принципы работы

Question book-4.svg

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше КПД. Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды.

Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.[источник не указан 404 дня] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 404 дня]

Авиационные двигатели также часто используются для генерации электрической мощности, благодаря их способности запускаться, останавливаться и изменять нагрузку быстрее, чем промышленные машины.[источник не указан 404 дня]

Типы газотурбинных двигателей

Question book-4.svg

Схема турбореактивного двигателя

Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 404 дня] Реактивные двигатели, которые производят тягу, главным образом, от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.[источник не указан 404 дня]

Одновальные и многовальные двигатели

Простейший газотурбинный двигатель имеет только одну турбину, которая приводит компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя.

Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным.

Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальном числе оборотов и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плоха приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления.

Турбореактивный двигатель

Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло.

В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются.

Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках.

Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии.

Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы.

Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя используют жаропрочные сплавы, оснащённые системами охлаждения, и термобарьерные покрытия.

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой

Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.

«Основные параметры турбореактивных двигателей различных поколений»

Поколение/
период
Т-ра газа
перед турбиной
°C
Степень сжатия
газа, πк*
Характерные
представители
Где установлены
1 поколение
1943-1949 гг.
730-780 3-6 BMW 003, Jumo 004 Me 262, Ar 234, He 162
2 поколение
1950-1960 гг.
880-980 7-13 J 79, Р11-300 F-104, F4, МиГ-21
3 поколение
1960-1970 гг.
1030-1180 16-20 TF 30, J 58, АЛ 21Ф F-111, SR 71,
МиГ-23Б, Су-24
4 поколение
1970-1980 гг.
1200-1400 21-25 F 100, F 110, F404,
РД-33, АЛ-31Ф
F-15, F-16,
МиГ-29, Су-27
5 поколение
2000-2020 гг.
1500-1650 25-30 F119-PW-100, EJ200,
F414, АЛ-41Ф
F-22, F-35,
ПАК ФА

Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые.

Турбовинтовой двигатель

Question book-4.svg

Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор.

В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи.

Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч.

Турбовальный двигатель

Турбовальный двигатель (ТВаД) — газотурбинный двигатель, у которого вся развиваемая мощность через выходной вал передается потребителю. Основная область применения — силовые установки вертолетов.

Двухконтурные двигатели

Дальнейшее повышение эффективности двигателей связано с появлением так называемого внешнего контура. Часть избыточной мощности турбины передаётся компрессору низкого давления на входе двигателя.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

Question book-4.svg

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.

В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно.

Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов.

Турбовентиляторный двигатель

Question book-4.svg

Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.

Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной.

Турбовинтовентиляторный двигатель

Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как вентилятор, а через редуктор.

Вспомогательная силовая установка

Вспомогательная силовая установка (ВСУ) — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся дополнительным источником мощности, например, для запуска маршевых двигателей самолетов. ВСУ обеспечивает бортовые системы сжатым воздухом ( в том числе для вентиляции салона), электроэнергией и создает давление в гидросистеме летательного аппарата.

Судовые установки

Используются в судовой промышленности для снижения веса. GE LM2500 и LM6000 — две характерных модели этого типа машин.

Наземные двигательные установки

Другие модификации газотурбинных двигателей используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Принцип работы практически не отличается от турбовинтовых двигателей.

Газовая турбина с замкнутым циклом

В газовой турбине с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют турбиной внешнего сгорания. На практике газовые турбины с замкнутым циклом используются редко.

Газовая турбина с внешним сгоранием

Question book-4.svg

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Большинство газовых турбин представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить газовую турбину внешнего сгорания, которая, фактически, является турбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 404 дня]

При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе, продукты сгорания проходят сквозь турбину. В косвенной системе, используется теплообменник и чистый воздух проходит сквозь турбину. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания.

Использование в наземных транспортных средствах

Question book-4.svg

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации.
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 11 ноября 2011.

Question book-4.svg

Rover JET1

Question book-4.svg

STP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газовой турбиной Pratt & Whitney.

Question book-4.svg

A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке.

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.

Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость — 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость — 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Использование в танках

Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.
Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода.

Конструкторы газотурбинных двигателей

См. также

Ссылки

Десять самых крутых автомобилей с газотурбинными двигателями – Обзор – Autoutro.ru

Газотурбинные двигатели — это невероятная вещь, и их применение не ограничивается лишь самолетами. Мы подобрали для вас десять самых интересных наземных транспортных средств, питающихся от огромных турбин.

Jet Corvette. Кастомайзеры очень любят брать моторы от Corvette и устанавливать их на другие машины, чтобы сделать их быстрее. Винс Гранателли подошел к делу с другого конца. Он, наоборот, избавил свой Corvette от V8 в пользу… газотурбинного двигателя Pratt & Whitney ST6B. 880-сильная турбина делает машину самым быстрым Corvette, допущенным к эксплуатации по дорогам общего пользования. Разгон до 100 км/ч осуществляется всего за 3,2 секунды.

Thrust SSC. Невероятный (но еще не завершенный) Bloodhound SSC наверняка возьмет свой рекорд (запланированы 1 600 км/ч), однако оригинальный Thrust SSC по-прежнему является серьезным техническим достижением. Благодаря 110 000 л. с. от двух турбореактивных двигателей Rolls-Royce, Thrust в 1997 году установил сухопутный рекорд скорости на отметке 1 228 км/ч и стал первым автомобилем, преодолевшим звуковой барьер.

Турбинный мотоцикл MTT. Как будто мотоциклы и без этого недостаточно страшны… MTT снабдили свой мотоцикл турбиной Rolls-Royce, которая передает 286 л. с. на заднее колесо. Один из таких принадлежит американскому телеведущему Джею Лено, который описывает его так: «Он веселый, но способен запугать вас до смерти».

Бэтмобиль. Главный транспорт из кинофильмов «Бэтмен» и «Бэтмен возвращается». Построен на шасси Chevrolet Impala. На сегодняшний день существуют компании, которые изготавливают реплики этого бэтмобиля с настоящими газотурбинными двигателями.

Shockwave. Этот седельный тягач Peterbilt оснащен тремя реактивными двигателями Pratt & Whitney J34-48 и однажды разогнался до 605 км/ч. Четверть мили он проезжает за 6,63 секунды, сопровождая свой заезд потрясающим огненным зрелищем!

Big Wind. Это ультимативное средство пожаротушения идеально дополнило бы предыдущий грузовик. Что скажете насчет борьбы с огнем при помощи огня? Big Wind как раз этим и занимается. Он представляет собой два двигателя от МИГ-21, смонтированные на советский танк Т-34. Эти штуки тушили нефтяные пожары в Кувейте во время войны в Персидском заливе. Сначала шесть шлангов гасят огонь, а затем реактивные двигатели нагнетают мощную струю пара, который буквально сдувает пламя с нефти.

Lotus 56. Этот болид имел вертолетный газотурбинный двигатель и был лишен коробки передач, сцепления и системы охлаждения. В 1971 году он дебютировал в Формуле-1. Самой серьёзной проблемой было значительное запаздывание реакции турбины на нажатие газа — поначалу задержка составляла шесть секунд. Это вынуждало пилота открывать газ ещё в торможении перед поворотом. Позднее задержку сократили до трех секунд, но это увеличило расход топлива и стартовый вес. В Сильверстоуне машина отстала на 11 кругов, а в Монце Эмерсону Фиттипальди удалось финишировать восьмым с отставанием в 1 круг. Контрольное взвешивание показало, что Lotus 56 на 101 кг тяжелее машины победителя. Естественно, от него пришлось отказаться.

Газотурбинный автомобиль Chrysler. Эти экспериментальные автомобили так и называют, потому что своего имени у модели не было. Они разрабатывались с 1953 по 1979 годы. За это время Chrysler испытал 7 поколений и построил 77 прототипов. В начале 60-х годов они успешно прошли тесты на дорогах общего пользования, но финансовый кризис в Chrysler и введение новых норм токсичности и расхода топлива помешали запуску модели в массовое производство. Девять машин сохранились в музеях и домашних коллекциях, а остальные были уничтожены.

ГАЗ М20 Аэросани «Север». В 1959 году в вертолетном конструкторском бюро Н. И. Камова был разработан автомобиль-аэросани «Север». Это была поставленная на лыжи «Победа» с авиационным мотором АИ-14 мощностью 260 л. с. Она использовалась как быстроходный транспорт для северных районов страны в зимние периоды. Средняя скорость составляла 35 км/ч. Маршруты проходили по целинному снегу и торосистому льду в морозы до 50 градусов. Аэросани работали вдоль Амура, обслуживали поселки по берегам рек Лена, Обь и Печора.

Трактор. Американцы любят разного рода забавы, и тракторные гонки — одна из них. Главным состязанием является транспортировка трактором тяжеленной платформы на дистанцию 80-100 метров. И тут, конечно, на помощь трактору приходят мощные газотурбинные двигатели.

Бэтмобиль на каждый день: газотурбинный автомобиль

Слово Jet переводится с английского языка как «реактивный двигатель». Однако слово «джеткар» вовсе не обязательно переводить как «реактивный автомобиль». «Джеткар» в разговорном английском — это просто крутая тачка. А вот автомобиль с газотурбинным двигателем — реальный «джеткар»

Еще в детстве образ светлого будущего для меня воплощался в автомобиле с реактивным двигателем. Помню телесериал «Джетсоны», где мои любимые герои запрыгивали в свой крутой «джеткар», пускали столб пламени из хвоста и стремительно уходили в точку у горизонта. В 1960-х я прочитал о газотурбинном автомобиле Rover-BRM и не поленился съездить в 1964 году на Всемирную выставку в Нью-Йорк, где этот «джеткар» гордо поворачивался во все стороны на отдельном стенде. Я никогда не мог устоять перед такой машиной, так что совсем недавно, когда подвернулась такая возможность, я купил себе один из девяти подлинных турбомобилей, которые в те годы были построены на заводах Chrysler. Обладание этим шедевром — экстаз на всю оставшуюся жизнь. Да, мой турболет был построен в 1963 году, то есть, считай, 45 лет назад, но и сейчас, когда я сажусь за руль, люди оглядываются и бормочут: «Ну и ну… Глянь, что за красотка!» Вот я и подумал, а не пора ли построить такую же, только поновей?

Без коров в салоне

Я пригласил к себе Стива Андерсона и Фрэнка Соседо из экспериментальной дизайн-студии при General Motors и рассказал им о своей задумке. Мне оказалось весьма непросто передать свои мечтания в словах, так что я предпочел внимательно выслушать предложения собеседников. Они рисовали эскиз за эскизом и спрашивали: «Это?» Я раз за разом тянул: «Не-е-е…» Помню, на одной из этих встреч присутствовал Эд Уэлберн, вице-президент GM, отвечающий в компании за все виды проектирования, и тоже рисовал что-то свое на коктейльных салфетках. Я помянул Cadillac Cien, которую видел на одном из автосалонов. Спецы из GM продолжали что-то рисовать, но я уже знал, что мне нужно, так что сразу ткнул в долгожданный эскиз.

Гигантские воздухозаборники 650-сильной вертолетной турбины Honeywell LTS-101 — это главный источник шума, извергаемого джеткаром. Доработкой впускного тракта обещают заняться специалисты по глушителям — K&N и Flowmaster.

Новому автомобилю мы дали имя EcoJet, отражающее все аспекты нашего вполне серьезного проекта. Было решено, что автомобиль будет работать на биодизеле. Бернард Лучли, главный механик в моей команде, Джим Холл, главный слесарь, да и остальные специалисты просто творили чудеса. Кузов (углепластик поверх кевларовой основы) сделала компания Metalcrafters — она понастроила много концепт-каров для разных автошоу. Шасси собрали прямо на месте, в моем гараже. Когда выгибали профили под раму, алюминиевый каркас жесткости для кузова, другие рамные элементы, кое-какую техническую помощь нам оказала компания Alcoa. Она же предоставила колесные диски из закаленного алюминия со спицами в виде турбинных лопаток. Каждое из этих колес вытачивалось из 200-килограммовой алюминиевой болванки.

Вся концепция нашего автомобиля построена на дружественном отношении к природе, так что нам не хотелось использовать в его конструкции никаких веществ животного происхождения. На отделку салона пошли искусственные материалы, пригодные для дальнейшей утилизации, — такова, к примеру, синтетическая замша Alcantara. Мы постарались применить в нашей конструкции как можно больше серийных деталей из производства GM. Карбоновые тормоза Brembo — те же самые, что ставятся на Corvette ZR1, рычаги подвески взяты с Z06 C6 Corvette, оттуда же и серьезно доработанные элементы рамы.

ЗИС-110 vs Packard 180: как в СССР содрали американский «членовоз»

Аппетит в два бензобака

Собственно турбина — это двигатель Honeywell LTS-101. Такие же стоят на вертолетах Bell 222 и Dolphin, которые служат в береговой охране США. Аппарат выдает 650 л.с. и момент на валу в 800 Н•м. Четырехступенчатая автоматическая коробка вместе с дифференциалом подошла от автомобиля Corvette C5. Без автомата здесь было не обойтись, так как турбина требует постоянной нагрузки. При использовании ручной коробки турбина могла бы пойти вразнос — такое бывает и с обычным мотором, когда обороты на пределе, а вы случайно нажимаете на сцепление.

Максимальные обороты турбины — 40 000 об/мин, а на холостых она выдает 60% от этой скорости. После редуктора получается уже 3300 об/мин. Мы обратились в Hot Flush, чтобы они разработали для нас такой преобразователь момента, который постоянно держал бы на валу 3500 об/мин, то есть чуть-чуть выше, чем при холостых оборотах. Чтобы уменьшить общую длину машины, турбину мы взгромоздили прямо над трансмиссией. Специалисты из компании Weismann Marine, те самые умельцы, что когда-то сделали коробку для McLaren F1, теперь смастерили по нашему заказу такую зубчатую передачу, которая при коэффициенте трансформации 1:1 опускает ведущий вал на 15 см вниз и меняет направление его движения, и уже оттуда вращение передается на преобразователь момента. Получилось нечто вроде дейдвуда от подвесного лодочного мотора.

В те годы, когда Chrysler построил свой турбомобиль, его можно было заправить на любой колонке, куда подъезжают тяжелые грузовики. Можно было залить и жидкое горючее из домашней отопительной системы. Наш EcoJet работает на биодизеле марки В100. В машине установлено два бака по 70 л: левый — под авиационное топливо JetA, правый — под биодизель. Мы запускаем мотор на авиатопливе, а на В100 переключаемся уже после того, как выезжаем на дорогу. Перед тем как остановить турбину, ее надо снова погонять на авиационном керосине. Все эти хитрости нужны для того, чтобы не засорилась система подачи топлива. Если сравнивать расход, то между двумя этими видами горючки мы не увидели никакой разницы. Наша турбина с превеликим аппетитом кушает любое топливо, лишь бы оно горело в смеси с кислородом. Как оголодавший ковбой в придорожном трактире — ничем не побрезгует.

Позор самолетам

Когда машина была уже построена, мы выкатились на взлетную полосу аэродрома и попробовали погонять с идущими на взлет самолетами. Мы моментально разгонялись до 260 км/ч и оставляли их позади. Ураганная динамика для нашей машины не проблема, ведь она рассчитана на скорость 400 км/ч. Для того чтобы турбина начала выдавать приличную мощность, ей нужно набрать обороты, так что с набором скорости она чуть запаздывает. Но и тут есть свои хитрости: сначала прижимаешь педаль газа и поднимаешь обороты, а потом уже рвешь с места — ведь, как и у любой турбины, самая хорошая отдача у нее идет в верхнем диапазоне оборотов. По городским улицам кататься на ней одно удовольствие. Тяга ровная и мягкая, правда, шуму чуть многовато, причем в основном он исходит от воздухозаборников.


Супергерой на связи

Приборную панель разработали в компании Electronics International. Дизайн выдержан в авиационном стиле, так что все похоже на кокпит турбореактивного самолета, чуть перестроенного для поездок по улицам. Систему навигации и акустику разработали Microsoft и Azantec, так что Джей теперь может пользоваться интернетом, посылать и получать электронную почту, не вылезая из-за баранки. Разумеется, все развлекательные и информационные функции дисплея доступны только тогда, когда машина припаркована.

Инженеры Chrysler гениально подгадали настроения 1960-х: они не стремились сделать машину слишком уж тихой — публика должна была услышать и прочувствовать ее могучее дыхание. Сейчас мы обратились за помощью к компаниям K&N и Flowmaster — их дело вылизывать воздухозаборный тракт и конструировать воздушный фильтр с шумоподавлением. По сути это устройство можно назвать входным глушителем.

Я вынужден признать, что с точки зрения экономии топлива наша машина далеко не в первых рядах. В салоне стоит соответствующий приборчик, и на нем хорошо видно, что на холостых оборотах EcoJet кушает литров 30 в час. На скорости 110 км/ч получается уже 53, а если дать полный газ, стрелка ложится на черту 220 л. Куда деваться — это же все-таки турбина.

В конце 50-х компания Chrysler всерьез экспериментировала с газотурбинными автомобилями. Plymouth с турбиной, изготовленный в 1956 году, совершил трансамериканский автопробег, без поломок преодолев 4862 км. Успех настолько воодушевил инженеров компании, что в период с 1963 по 1966 пятьдесят автомобилей Chrysler Turbine Car были переданы для опытной эксплуатации случайно выбранным клиентам. Это были не просто концепт-кары, а практически предсерийные образцы автомобилей с полным набором удобств. По отзывам счастливых владельцев, турбины были надежнее иных ДВС компании. Наиболее запоминающаяся черта Chrysler Turbine Car — абсолютная всеядность: автомобиль исправно работал не только на бензине, керосине и солярке, но даже на растительном масле и текиле.

Бэтмен не играет в гольф

Окончательная доводка машины — довольно длительный процесс. Вот, к примеру, дверцы приводятся в движение от соленоида. Нажимаешь кнопку и слушаешь «хрум-хрум-хрум» — нужно подобрать не такую шумную механику. И все же самое сложное уже позади. Машина нормально ездит по дорогам, движок не перегревается. Тяга мягкая и ровная, а трансмиссионная жидкость все время остается чуть тепленькой.

Мне нравится, что наш EcoJet, хоть и выглядит как машина будущего, остается вполне пригоден для практического использования. Что-то в его облике есть от «бэтмобиля», так что, когда садишься в кресло, чувствуешь себя так, будто отправляешься на борьбу с мировым злом. При этом облик концепт-кара никоим образом не противоречит практическим моментам. Он не из тех машинок, о которых любой скажет: «Да на ней же и ездить нельзя, посмотрите, где у нее фары!»

Конечно же, багажника у нее нет совсем. Да он и не нужен, когда собираешься на прогулку на такой машинке. В гольф я не играю, так что мне и не требуется специальный отсек под сумку с клюшками. Места для багажа здесь примерно столько же, сколько и в Audi R8, — как раз хватит, чтобы всунуть страховую карточку и пачку леденцов. А мне больше и не надо.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика»
(№2, Февраль 2010).

У последнего интересного вездехода был газотурбинный двигатель

Если у вас есть автомобиль, припаркованный на улице, когда вы читаете это, велика вероятность, что у него поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением, работающий либо на бензине (бензине), либо на дизельном топливе. Некоторые из наиболее дальновидных из вас могут иметь гибрид или даже электромобиль, и еще меньшее количество может иметь автомобиль с поршневым двигателем, работающий на сжиженном нефтяном газе или метане, но это, вероятно, будет суммой автомобильного опыта читателя Hackaday.

Мы привыкли понимать, что, возможно, эра поршневых двигателей, работающих на нефтяном топливе, подходит к концу и что в будущие десятилетия мы будем использовать электрические или водородные двигатели.Но видения будущего не всегда реализуются так, как мы их ожидаем. Чтобы доказать это, нам нужно только вернуться в 1950-е годы. Автомобилисты в десятилетие после Второй мировой войны с уверенностью предсказывали будущее вождения автомобилей с реактивными двигателями. Какое-то время, когда производители выпускали серию прототипов, это выглядело как беспроигрышный вариант.

Газотурбинный автомобиль Chrysler из статьи [Брайана]. Чмарлин [общественное достояние]. Еще в августе мой коллега [Брайан] написал статью «Последний интересный Крайслер имел газотурбинный двигатель», в которой он подробно рассказал об одном из самых известных автомобилей с газовой турбиной.Но красиво оформленный Chrysler был не единственным газотурбинным автомобилем, который произвел фурор в то время, потому что тем временем на другой стороне Атлантики серия прототипов повела газовую турбину в несколько ином направлении.

Rover был британским производителем автомобилей, который был известен тем, что производил разумные и респектабельные седаны. Они прошли через серию воплощений в национализированную империю Британского Лейленда, в конечном итоге перейдя в руки British Aerospace, затем BMW и, наконец, консорциум бизнесменов, под чьим владением они встретили позорный конец.Если вы когда-нибудь задавались вопросом, почему у BMW 1-й серии такие неуклюжие стилистические элементы, вы смотрите на остатки Rover, который так и не появился на переднем дворе. Очень успешная марка Land Rover изначально была продуктом Rover, но за пределами этого сектора их не помнят как особо захватывающих или технически продвинутых.

Прототип Rover JET1. Аллен Уоткин [CC BY-SA 2.0]. Однако в конце Второй мировой войны Rover оказался в интересном положении. Одним из их вкладов в военное производство стали газотурбинные двигатели первого поколения британских реактивных самолетов, и в рамках перехода к производству в мирное время они начали исследовать применение этой технологии в гражданских целях.Таким образом, первым в истории газотурбинным автомобилем стал Rover JET1 1950 года. Обладая солидным и респектабельным стилем транспорта менеджера банка 1950-х годов, а не взглядом космической эры, который вы могли ожидать от первого в истории газотурбинного автомобиля, он тем не менее стал первым обладателем мирового рекорда скорости для автомобиля с газовой турбиной в 1952 году. он достиг скорости 152,691 миль в час.

За JET1 вскоре последовала серия других прототипов с реактивными двигателями, кульминацией которых стали T3 1956 года и T4 1961 года. Оба они были практичными повседневными автомобилями: Т3, спортивное купе, и Т4, седан представительского класса, стиль которого проявился в модели P6 1963 года с бензиновым двигателем.Был также экспериментальный грузовик BMC, оснащенный двигателем. Представительский автомобиль P6 производился до 1977 года, и все модели были спроектированы так, чтобы иметь место для будущей газотурбинной установки, имея очень необычную компоновку передней подвески с шарниром, позволяющим размещать пружину и амортизатор продольно в переднем крыле.

Гоночный автомобиль Rover-BRM в Гайдоне. Дэвид Мерретт [CC BY 2.0]. Это были не только прототипы серийных автомобилей с газовыми турбинами, которые пришли от Rover в 1960-х годах, поскольку в 1963 году они поместили свою газовую турбину в гоночное шасси BRM и представили его в 24-часовом Ле-Мане. гонка на выносливость.Он вернулся в сезоне 1964 года, оснащенный новым вращающимся керамическим сотовым теплообменником для повышения его эффективности, и участвовал в финальном сезоне 1965 года.

Судьба газотурбинных вездеходов пойдет вслед за их эквивалентными автомобилями других производителей, включая Chrysler, покрытый [Брайаном]. Технические трудности так и не удалось полностью преодолеть, растущая стоимость топлива сделала газотурбинные автомобили неэкономичными в эксплуатации, а между тем к 1960-м годам поршневой двигатель неизмеримо улучшился по сравнению с тем, что было доступно на момент производства JET1.Rover P6 так и не получил газовую турбину, и от всей программы отказались. Сегодня все уцелевшие автомобили находятся в музеях, прототип JET1 — в Музее науки в Лондоне, а гоночные автомобили T3, T4 и Rover-BRM — в автосалоне Heritage Motor Center в Гайдоне. После реставрации грузовик сохранился в частных руках, и его часто можно увидеть на летних выставках.

В качестве примечания к истории Rover, в ответ на разработку JET1 в начале 1950-х их соперник, а позже и британский товарищ по конюшне Leyland Остин разработал свой собственный газотурбинный автомобиль.Если иностранные читатели находят стиль Jet1 немного странным по сравнению с американскими реактивными автомобилями, это определенно космическая эра по сравнению с величественным домашним стилем лимузина Sheerline, на который Остин установил свою газовую турбину.

Изображение заголовка газовой турбины Rover T4: Matthias v.d. Эльба [CC BY-SA 3.0].

.

3 авиационных газотурбинных двигателя | Исследование силовых установок и энергетических систем коммерческих самолетов: сокращение глобальных выбросов углерода

будущее. Кроме того, общий коэффициент давлений 2 газовых турбин со временем увеличивался для повышения термодинамической эффективности. Однако в то же время размер компрессора высокого давления, камеры сгорания и турбины уменьшился, что усугубило проблемы меньшего размера.

По мере повышения эффективности самолетов и двигателей для полета требуется меньше мощности, так что объем двигателя и мощность, требуемые при неизменных характеристиках самолета, в будущем уменьшатся.

Потенциал для улучшения

С тех пор, как в конце 1940-х годов были построены первые авиационные газовые турбины, общий КПД — от расхода топлива до движущей силы — повысился примерно с 10 процентов до нынешнего значения, приближаясь к 40 процентам (см. Рисунок 3.2). Вероятно, что скорость улучшения этих двигателей может продолжаться на уровне примерно 7 процентов за десятилетие в течение следующих нескольких десятилетий при условии достаточных инвестиций в технологии. Потенциал для общего улучшения лучше всего рассматривать с точки зрения составляющих эффективности: термодинамической эффективности двигателя и тягового КПД движителя.

Как отмечалось выше, неясно, насколько близко к теоретическим пределам может быть возможно создание газовой турбины для коммерческого самолета, учитывая важные ограничения авиации в отношении безопасности, веса, надежности и стоимости. Некоторые авторы рассмотрели вопрос о практических пределах для газовых турбин простого цикла, учитывая потенциал новых материалов, архитектур двигателей и технологий компонентов. Их оценки индивидуальных пределов термодинамического и пропульсивного КПД несколько различаются (и могут по-разному разделить потери между термодинамическим и пропульсивным КПД), но они согласны с тем, что улучшение общего КПД на 30-35 процентов по сравнению с лучшими двигателями сегодня может быть достигнуто.Как показано на рисунке 3.7, термодинамический КПД двигателя может составлять 65-70 процентов, а тяговый КПД — 90-95 процентов.

Газотурбинные двигатели

нуждаются в значительном улучшении, при этом общий КПД повышается на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день. Улучшения будут происходить за счет множества относительно небольших приращений, а не одной прорывной технологии.

Некоторые исследования показывают, что улучшение характеристик турбомашин и снижение потерь на охлаждение может улучшить термодинамический КПД на 19 процентов и 6 процентов соответственно. 3 Такой значительный выигрыш не достигается простым внедрением новой технологии в существующие двигатели. Скорее, он требует оптимизации цикла с учетом конкретных уровней рабочих характеристик компонентов, температурных возможностей и охлаждения. Практические циклы с промежуточным охлаждением или рекуперацией могут повысить эффективность еще на 4. 4 Усовершенствованные вентиляторы и гребные винты также могут повысить эффективность тяги на 10 процентов. 5 Конечно, практические ограничения тягового КПД не могут быть рассмотрены только на уровне двигателя без ссылки на конфигурацию самолета и интеграцию силовой установки, как обсуждалось в главе 2.

Подводя итог, можно сказать, что авиационные газотурбинные двигатели имеют значительные возможности для улучшения, с потенциалом повышения общего КПД на 30 или более процентов по сравнению с лучшими двигателями, находящимися в эксплуатации на сегодняшний день, с потенциалом улучшения пропульсивного КПД примерно в два раза выше термодинамического КПД. Этот уровень производительности потребует множества технологических улучшений и будет происходить в виде ряда относительно небольших приращений, несколько процентов или меньше, а не за счет одной прорывной технологии.В следующем разделе обсуждаются многие из этих технологий.

___________________

2 Общий коэффициент давления — это отношение давления на выходе компрессора к давлению на входе компрессора.

3 D.K. Холл, 2011 г., «Пределы производительности осевых ступеней турбомашин», М.С. диссертация, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс

4 Дж. Уурр, 2013, «Будущие архитектуры и технологии гражданских авиадвигателей», представленный на 10-й Европейской конференции по турбомашинному оборудованию, http: // www.etc10.eu/mat/Whurr.pdf.

5 Д. Карлсон, 2009, «Возрождение движущих сил: новые циклы, новые архитектуры и возможности для развития рабочей силы», представленный на 19-й конференции ISABE Международного общества дыхательных двигателей, Монреаль, Канада.

.Руководство по двигателю с турбонаддувом

— Как установить любой двигатель с турбонаддувом

Иногда мы должны задаться вопросом, почему кто-то пытается сделать больше не мощность. Мы признаем, что существует множество правил гонок, которые не позволяют сумматорам мощности доминировать, а турбины выглядят довольно сложно. Но тебе нужно это пережить. Мы поняли это после того, как подсмотрели , наблюдая за тем, как парни из с турбо-смолл-блоками на YouTube чертовски побеждают Гадюк и любого спортбайкера, готового рискнуть на дороге. Забудьте о большом кулачке и незакрепленном преобразователе; они тебе не понадобятся.Вам даже не нужно гадать, как спрятать большой блок под капотом или где вырезать отверстие для вентилятора. Все, что вам нужно, это турбо или два, чтобы получить непристойную мощь, и мы собираемся показать вам, как ее получить.

Что нужно для установки Turbo

Первое: компрессор Большой или маленький? На стороне давления или холода турбо-системы находится компрессор . Когда отработанный воздух и топливо покидают выпускное отверстие, оно вращает колесо выхлопной турбины, которое вращает вал турбины, соединенный с колесом компрессора.Размер и шаг колеса, а также форма корпуса определяют, где сочетание воздушного потока и давления наддува является наиболее эффективным. Уловка состоит в том, чтобы выбрать размер компрессора, который обеспечивает такую ​​эффективность в используемом диапазоне оборотов. Колесо компрессора меньшего размера будет более эффективным при низких оборотах, но будет выделять больше тепла при более высоких оборотах двигателя. Это также ограничит поток при более высоких оборотах. Слишком большой компрессор вызовет задержку наддува и возможный скачок компрессора в диапазоне низких оборотов и будет наиболее эффективным при высоких оборотах двигателя.Поскольку рабочее колесо компрессора определяет мощность, необходимую для турбины, очень важно правильно подобрать размер. Слишком маленькая турбина вращается быстро, но сужает верхнюю часть. Слишком большая турбина не может передать достаточно мощности компрессору на нижнем уровне.

Посмотреть все 18 фотографий

Степень давления и скорректированный массовый расход воздуха — это два числа, которые вам нужны для оценки компрессора на карте. Выберите турбонаддув с картой компрессора, которая помещает две нанесенные точки между 65 и 70 процентами эффективности для уличного применения.Чтобы получить коэффициент давления, просто добавьте величину наддува в фунтах на квадратный дюйм к стандартному атмосферному давлению (14,7) и разделите его на 14,7. Мы будем использовать 10 фунтов на квадратный дюйм, потому что это приближается к порогу безопасности для газового двигателя с насосом без переохлаждения. Степень давления для 302-дюймового двигателя при 6000 об / мин составляет 1,68.

Глядя на карту компрессора, можно сделать ошибку, просто умножив общий куб.фут / мин двигателя на коэффициент давления, чтобы получить скорректированный массовый расход воздуха, и соединив точки. Правда в том, что скорректированное число массового расхода воздуха является результатом нескольких сложных вычислений, включающих плотность воздуха, степень сжатия, CFM двигателя и даже плотность воздуха при наддуве.Если вам удастся разобраться в математике, вы заметите, что последний кусок головоломки — это эффективность самого компрессора, определяемая по таблице.

Кратчайший путь ко всему этому — то, что инженер Turbonetics Дэйв Остин называет племенными знаниями. Посмотрите, что делают другие ребята, и посмотрите, работает ли это, или просто позвоните в уважаемую турбо-компанию, чтобы получить некоторые предложения. Turbonetics, например, имеет матрицу своих популярных турбонаддувов, классифицированных по размеру двигателя и мощности на основе многолетних проб и ошибок.Вся сетка слишком велика для печати здесь, но вы можете получить доступ к знаниям, отправив простое электронное письмо или позвонив в службу технической поддержки. Просто обязательно знайте все подробности о своей машине и своих планах по ее использованию.

Посмотреть все 18 фотографий

Вторая: турбина Выбор турбины включает в себя выбор колеса, достаточно маленького, чтобы реагировать быстро, и достаточно большого, чтобы вращать колесо компрессора достаточно быстро, чтобы обеспечить желаемое давление наддува и минимизировать противодавление. Практическое правило — выбирайте колеса наименьшего диаметра, который по-прежнему позволяет достичь поставленных целей в лошадиных сил, не теряя при этом мощности.Современные турбины в конечном итоге можно настраивать с помощью сменных корпусов турбин с синхронизацией, так что вы можете точно настроить систему, если промахнетесь.

Чтобы помочь вам выбрать корпус турбины, соответствующий вашим потребностям, производители турбонагнетателей полагаются на упрощенный инструмент, называемый соотношением A / R. A означает площадь, а R — радиус. Отношение A / R — это соотношение между центральной точкой площади поперечного сечения в канале и радиусом от центра турбинного колеса на входе до улитки.Это простое деление A на R. По мере того, как A становится меньше, скорость газа увеличивается, как и его влияние на скорость турбинного колеса. Если A станет слишком маленьким, он задохнется и не сможет передать достаточно энергии компрессору, и пиковая мощность пострадает. Противодавление в двигателе также станет слишком высоким, что вызовет обратный поток в цилиндр при открытии выпускного клапана. По мере того, как A становится больше, он сможет передавать больше энергии турбинному колесу за счет скорости. Эффективность турбонаддува и конструкция турбинного колеса также имеют значение, но обычно это A / R и размер турбинного колеса, которые определяют намотку, общий воздушный поток и давление.Как правило, A / R 1,5 обеспечивает большую мощность, а A / R 0,5 обеспечивает лучший отклик на низких скоростях. Согласно матрице, двигателям от 5,0 до 6,0 литров понравится от 0,68 до 0,81 A / R.

Третий: отработанные газы и перепускные клапаны Как вы, наверное, догадались, поскольку давление наддува создается за счет давления выхлопных газов и вращающегося колеса компрессора, можно подавать в двигатель больше наддува, чем октановое число топлива или даже сам двигатель. ручка. Это состояние называется избыточным усилением, и им можно управлять с помощью клапана, называемого перепускным клапаном, который отводит выхлопные газы вокруг турбокомпрессора в поток выхлопных газов.Для регулирования максимального количества энергии, подаваемой на турбину, и, следовательно, количества наддува, создаваемого компрессором, используются заслонки наддува. Тип, расположение и размер вестгейта являются ключами к эффективной системе.

Большинство заводских турбин имеют встроенный перепускной клапан, механизм которого встроен в корпус турбонагнетателя и приводится в действие рычагом, соединяющим компрессор с турбиной. Хотя он компактен и функционален для установки с одним или двумя турбинами с низким наддувом, он не может быть синхронизирован для установки и ставит ворота в наименее желательную часть системы.Внешние перепускные клапаны имеют размер в соответствии с мощностью, которую вы хотите производить, и должны располагаться там, где они могут собирать все импульсы выхлопа, например, на конце коллектора коллектора или коллектора. Следует избегать того, чтобы газы снова включались сами по себе или резко вращались для выхода из турбины. Поскольку газ пойдет по пути наименьшего сопротивления, возможно, что на высоких оборотах турбина продолжит увеличивать скорость, если путь к выхлопу ограничен или перепускной клапан слишком мал.

Посмотреть все 18 фото

Перепускной клапан подсоединяется к холодной стороне системы и предназначен для предотвращения помпажа и повреждения компрессора. В ситуации высоких оборотов / высокого наддува, если вы быстро откроете дроссельную заслонку, давление не сможет попасть во впускной коллектор. Поскольку турбина и компрессор все еще вращаются, давление на лопатки дроссельной заслонки возрастает. Это давление может привести к остановке крыльчатки компрессора или вызвать скачок давления при изменении направления вращения, создавая зону низкого давления и повышая или понижая скорость компрессора.Перепускной клапан просто сбрасывает давление в атмосферу, когда дроссельная заслонка закрыта. Это также источник чирикающего шума, который вы иногда слышите, когда автомобили с турбонаддувом поднимаются для переключения передач.

Четвертое: тепло, детонация и промежуточное охлаждение Ранние заводские автомобили с турбонаддувом не имели промежуточного охладителя и, следовательно, не имели защиты от дополнительного тепла, создаваемого способностью turbo быстро сжимать и нагревать поступающий воздух . Это, в сочетании с подкачкой бензина, привело к детонации, которая по-прежнему остается способом номер один для разрушения вашего двигателя.Решение варьировалось от ужасных статических степеней сжатия до 6,0: 1 до турбо-реактивной жидкости Corvairs Turbo Rocket Fluid, которая на самом деле представляла собой просто кувшин воды / метанола, который вводили во всасываемый воздушный поток для охлаждения заряда. Он отлично работал, пока вы не забыли его заполнить. Двигатели с низким уровнем сжатия и большими турбинами созданы для вялых уличных автомобилей с низкими оборотами, которые внезапно просыпались из-за резкой избыточной поворачиваемости и диких дымных рыбьих хвостов. Спросите любого, кто владел Porsche 930 начала 70-х годов.

Идея эффективного двигателя с разумной степенью сжатия, который имеет хороший отклик на низких оборотах и ​​использует достаточно наддува для создания реальной мощности, возможна с промежуточным охладителем.Промежуточный охладитель — это просто теплообменник, который находится между компрессором и воздухозаборником, чтобы уменьшить количество тепла, добавляемого в процессе сжатия воздуха. На первый взгляд, промежуточное охлаждение воздушного заряда позволяет использовать более мощный наддув или меньший турбонаддув на двигателе с масляным охлаждением. На самом деле он стабилизирует заряд всасываемого воздуха, чтобы предотвратить детонацию, и расширяет всю схему компрессора, что позволяет получить больше мощности с меньшим двигателем и меньшим насилием. Мы также рекомендуем МСД с регулируемой кривой синхронизации или систему управления синхронизацией наддува, чтобы избежать грохота двигателя.

Посмотреть все 18 фото

Для предотвращения утечки выхлопных газов в комплект повсюду входят соединители с шаровым фланцем. Вы можете купить их отдельно у Hellion, если хотите обновить свой текущий выхлоп.

Пятое: Топливные системы Чтобы получить больше мощности, вам понадобится больше топлива. Различают установок трех типов: продувочные и проточные карбюраторные и продувочные системы впрыска топлива. Система проточного карбюратора имеет ряд неисправностей, худшие из которых — наличие воздушно-топливной смеси, проходящей через компрессор, и отсутствие опции промежуточного охладителя.Система продувки немного менее загадочна и работает по тем же принципам, что и любая система продувки центробежного нагнетателя. Таким образом, уже доступны продувочные углеводы, созданные специально для этой цели. Мы добились хорошей мощности с помощью продувочных карбюраторов Quick Fuel и Carb Shop и 10 фунтов наддува, включая пробег 600 л.с. с ATI ProCharger на Ford 302.

Если у вас двигатель с впрыском топлива и вы используете 5 до 6 фунтов наддува вы можете использовать FMU (блок управления топливом), который повышает давление топлива или добавляет топливо для обогащения каким-либо другим способом, или переходить к контроллеру вторичного рынка, чтобы перенастроить топливную кривую и запустить более крупные форсунки.На 5,0-литровом Mustang насос в баке на 255 галлонов в час и форсунки на 42 фунта / час могут быть настроены на 550 оборотов в час.

Карбюраторные автомобили нуждаются в регуляторе топлива с опорой на наддув, который увеличивает давление топлива вместе с кривой наддува.

Посмотреть все 18 фотографий

Шестое: получение Turbo Используя математику, вы можете построить полную систему на бумаге. Используя науку о схемах компрессоров и некоторое представление о размере и диапазоне оборотов вашего двигателя, вы можете добавить практически любую турбину к любому двигателю .Хитрость заключается в наличии карт и соотношений A / R корпуса турбины и размеров турбинных колес. Небольшие заводские двигатели производят небольшие турбины с внутренними перепускными клапанами, которые нужно будет запускать парами на V-8. Они также обычно имеют водяное охлаждение на автомобилях оригинального производителя для увеличения срока службы. Их можно использовать, но они далеки от оптимума. В качестве примера возьмем Garrett T03 из турбокупе T-Bird с 1985 по 1986 год. Купе с автоматической коробкой передач имеет одинарный турбонаддув с соотношением A / R 0,48, а стандартное купе имеет A / R 0.63 и карта эффективности компрессора, разработанная для четырехцилиндрового двигателя объемом 2,3 л. Используя карту на боковой панели Junkyard Turbo, вы можете увидеть, что с коэффициентом давления наддува 1,68 (14,7 + 10 / 14,7 = 1,68) легко снизить эффективность турбонагнетателя примерно до 65-68 процентов. Чтобы повысить эффективность, вам необходимо увеличить наддув до предела безопасности наддува. С более мощным двигателем будет хуже. Это работоспособно; вам просто нужно быть осторожным в том, что вы делаете.

Приманка турбо-свалки за 80 долларов заманчива, но перед покупкой взгляните на ребят, которые действительно развлекаются, и посмотрите, что они используют.Существует разрыв между оборудованием 80-х и новыми модернизированными заводскими турбинами, которые в основном появлялись на импортных автомобилях в 90-х. Простые достижения, такие как количество компонентов, конструкция подшипников, колпаки колес и материалы, были изменены к лучшему. Возьмем для примера турбины Garrett GT. Количество движущихся частей было уменьшено по сравнению с его ранней моделью T в среднем с 54 компонентов до примерно 29. Это 45-процентное сокращение количества частей снижает риск отказа компонентов. В GT также есть картридж с шарикоподшипниками, в котором исключаются опорные подшипники (которые на самом деле больше похожи на втулки) и знаменитый упорный подшипник слабой связи.Лучшие подшипники означают меньшее количество масла, проходящего через турбонагнетатель, и меньшую вероятность утечек или того, что вышедший из строя подшипник разрушит турбонаддув и загрязнит ваше моторное масло.

Вы также получаете преимущество более легких и хорошо продуманных колес компрессора и турбины, которые создают большую мощность с меньшими задержками и тепловыделением. Новые турбины имеют современные схемы компрессоров с более широким разнообразием соотношений A / R и кожухи турбины с синхронизацией, различные варианты размеров колес и техническую поддержку для решения проблем. Алюминиевые колеса компрессора могут быть сняты со стального вала, поэтому компании, занимающиеся послепродажным обслуживанием, могут предложить различные варианты отделки для точных технических характеристик и подобрать компрессоры и комбинации турбин.В результате получается отзывчивая система, которая отлично работает и вырабатывает мощность вместо того, что вас не устраивает.

См. Все 18 фото

Обратите внимание на порт датчика кислорода для заводского EFI (стрелка). Выход турбины всегда должен быть больше входа. Чтобы охватить двигатель мощностью от 500 до 800 л.с., входное отверстие должно быть не менее 2,75 дюйма, а выходное отверстие — не менее 3,5 дюйма в диаметре.

Турбо на свалке Герои на свалке утверждают, что вы можете надеть турбо Thunderbird и отправиться в город.Это может быть правдой, но при этом вы от многого откажетесь. Помимо усовершенствований в технологии подшипников, которые увеличивают долговечность и производительность турбонаддува, карты эффективности компрессора на более новых компрессорах намного шире, что позволяет вам работать с большим наддувом в более широком диапазоне оборотов, чем у оригинального оборудования. Вы также можете обойтись без одного турбо для достижения тех же уровней мощности.

Посмотреть все 18 фото

Это карта от «хорошего» Ford Thunderbird 85 по 86 год. Обратите внимание, что линия помпажа сужает полезную область карты, и турбонагнетатель должен вращаться примерно на 40 000 об / мин быстрее, чем 60-1, чтобы выполнить свою работу.

Turbo Термины Boost: Любое давление выше атмосферного, измеренное во впускном коллекторе.

Порог наддува: Самая низкая частота вращения двигателя, при которой турбонаддув может обеспечить приемлемый наддув.

Карта компрессора: Сетка чисел, используемая в качестве инструмента для оценки эффективности турбонаддува по отношению к двигателю.

Помпаж компрессора: Воздух, создающий резервную копию, в результате чего скорость турбонаддува становится нестабильной, когда дроссельная заслонка внезапно закрывается.

Lag: Задержка между изменением положения дроссельной заслонки и производством полезного наддува.

Линия помпажа: Линия, следующая за крайним левым уголком КПД на карте компрессора, где турбо становится нестабильным.

Cool Книги о Turbos
Название Источник
Максимальное усиление по Corky Bell Издательство Bentley
Руководство Джеффа Хартмана по характеристикам турбонаддува Моторбуки
Турбокомпрессоры Хью Макиннеса Моторбуки
Turbo: Реальные высокопроизводительные системы турбонагнетателя от Джея К.Миллер SA Дизайн
Детали
Описание Номер детали Цена
Тепловая система Hellion НЕТ 3 999 долл. США

.

Газотурбинный двигатель | Британника

Газотурбинный двигатель , любой двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве рабочего тела, используемого для вращения турбины. Этот термин также обычно используется для описания полного двигателя внутреннего сгорания, состоящего, по меньшей мере, из компрессора, камеры сгорания и турбины.

Общие характеристики

Полезную работу или тягу можно получить от газотурбинного двигателя. Он может приводить в действие генератор, насос или пропеллер или, в случае чисто реактивного авиационного двигателя, развивать тягу за счет ускорения потока выхлопных газов турбины через сопло.Такой двигатель, который при той же мощности намного меньше и легче, чем поршневой двигатель внутреннего сгорания, может производить большую мощность. Поршневые двигатели зависят от движения поршня вверх и вниз, которое затем должно быть преобразовано во вращательное движение с помощью механизма коленчатого вала, в то время как газовая турбина обеспечивает мощность вращения вала напрямую. Хотя концептуально газотурбинный двигатель представляет собой простое устройство, компоненты эффективного агрегата должны быть тщательно спроектированы и изготовлены из дорогостоящих материалов из-за высоких температур и напряжений, возникающих во время работы.Таким образом, установки газотурбинных двигателей обычно ограничиваются крупными установками, где они становятся рентабельными.

Циклы газотурбинного двигателя

Большинство газовых турбин работают в открытом цикле, в котором воздух забирается из атмосферы, сжимается в центробежном или осевом компрессоре, а затем подается в камеру сгорания. Здесь топливо добавляется и сжигается при практически постоянном давлении вместе с частью воздуха. Дополнительный сжатый воздух, который обходится вокруг секции сгорания и затем смешивается с очень горячими газами сгорания, необходим для поддержания температуры на выходе из камеры сгорания (фактически, на входе турбины) на достаточно низком уровне, чтобы турбина могла работать непрерывно.Если установка должна производить мощность на валу, продукты сгорания (в основном воздух) расширяются в турбине до атмосферного давления. Большая часть мощности турбины требуется для работы компрессора; только остальная часть доступна для обеспечения работы вала генератора, насоса или другого устройства. В реактивном двигателе турбина предназначена для обеспечения достаточной мощности для привода компрессора и вспомогательных устройств. Затем поток газа выходит из турбины с промежуточным давлением (выше местного атмосферного давления) и проходит через сопло для создания тяги.

Газотурбинный двигатель открытого цикла постоянного давления. Encyclopdia Britannica, Inc.

В первую очередь рассматривается идеализированный газотурбинный двигатель, работающий без потерь по этому простому циклу Брайтона. Если, например, воздух поступает в компрессор при 15 ° C и атмосферном давлении и сжимается до одного мегапаскаль, он затем поглощает тепло от топлива при постоянном давлении до тех пор, пока температура не достигнет 1100 ° C, прежде чем расширится через турбину обратно до атмосферного. давление. Этот идеализированный блок потребует мощности турбины 1.68 киловатт на каждый киловатт полезной мощности с 0,68 киловатт, потребляемым для привода компрессора. Тепловой КПД установки (чистая произведенная работа, разделенная на энергию, добавленную через топливо) составит 48 процентов.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской.
Подпишитесь сегодня

Фактическая производительность простого открытого цикла

Если для блока, работающего между одинаковыми пределами давления и температуры, компрессор и турбина имеют КПД только 80 процентов ( i.Например, : работа идеального компрессора равна 0,8 фактической работы, в то время как фактическая мощность турбины в 0,8 раза больше идеальной мощности), ситуация кардинально меняется, даже если все остальные компоненты остаются идеальными. На каждый киловатт производимой полезной мощности турбина теперь должна производить 2,71 киловатт, а работа компрессора становится 1,71 киловатт. Тепловой КПД падает до 25,9 процента. Это демонстрирует важность высокоэффективных компрессоров и турбин. Исторически сложность разработки эффективных компрессоров, даже больше, чем эффективных турбин, задерживала разработку газотурбинного двигателя.Современные агрегаты могут иметь КПД компрессора 86–88 процентов и КПД турбины 88–90 процентов при проектных условиях.

КПД и выходную мощность можно увеличить за счет повышения температуры на входе в турбину. Однако все материалы теряют прочность при очень высоких температурах, а поскольку лопатки турбины движутся с высокой скоростью и подвергаются серьезным центробежным нагрузкам, температура на входе в турбину выше 1100 ° C требует специального охлаждения лопаток. Можно показать, что для каждой максимальной температуры на входе в турбину существует также оптимальное соотношение давлений.Современные авиационные газовые турбины с охлаждением лопаток работают при температурах на входе в турбину выше 1370 ° C и при соотношении давлений около 30: 1.

Промежуточное охлаждение, повторный нагрев и регенерация

В авиационных газотурбинных двигателях необходимо обращать внимание на вес и диаметр. Это не позволяет добавлять дополнительное оборудование для повышения производительности. Соответственно, двигатели коммерческих самолетов работают по простому циклу Брайтона, идеализированному выше. Эти ограничения не применяются к стационарным газовым турбинам, в которые могут быть добавлены компоненты для повышения эффективности.Усовершенствования могут включать (1) уменьшение работы сжатия за счет промежуточного охлаждения, (2) увеличение мощности турбины за счет повторного нагрева после частичного расширения или (3) снижение расхода топлива за счет регенерации.

Первое усовершенствование будет заключаться в сжатии воздуха почти постоянной температуры. Хотя это не может быть достигнуто на практике, это можно приблизить с помощью промежуточного охлаждения (, то есть путем сжатия воздуха в два или более этапов и его водяного охлаждения между этапами до его начальной температуры).Охлаждение уменьшает объем обрабатываемого воздуха и, как следствие, необходимую работу по сжатию.

Второе усовершенствование включает повторный нагрев воздуха после частичного расширения через турбину высокого давления во втором наборе камер сгорания перед подачей его в турбину низкого давления для окончательного расширения. Этот процесс похож на повторный нагрев, используемый в паровой турбине.

Оба подхода требуют значительного дополнительного оборудования и используются реже, чем третье улучшение.Здесь горячие выхлопные газы из турбины проходят через теплообменник или регенератор, чтобы повысить температуру воздуха, выходящего из компрессора перед сгоранием. Это уменьшает количество топлива, необходимое для достижения желаемой температуры на входе в турбину. Однако повышение эффективности связано со значительным увеличением начальной стоимости и будет экономичным только для агрегатов, которые работают почти непрерывно.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *