Газотурбинный мотор для автомобиля

Высокий уровень развития теории лопаточных двигателей, металлургии и техники производства обеспечивает теперь реальную возможность создания надежных газотурбинных двигателей, способных с успехом заменить на автомобиле поршневые двигатели внутреннего сгорания.
Что представляет собой газотурбинный двигатель?

Рис. 1. Принципиальная схема газотурбинного двигателя

На рис. 1 показана принципиальная схема такого двигателя. Ротационный компрессор 9, находящийся на одном валу 8 с газовой турбиной 7, засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и нагнетает в камеру сгорания 3. Топливный насоc 1, также приводимый в движение от вала турбины, нагнетает топливо в форсунку 2, установленную в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат 4 на рабочие лопатки 5 колеса газовой турбины 7 и заставляют его вращаться в одном, определенном направлении. Газы, отработавшие в турбине, выпускаются в атмосферу через патрубок 6. Вал 8 газовой турбины вращается в подшипниках 10.
По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания газотурбинный двигатель обладает весьма существенными преимуществами. Правда, он тоже еще не свободен от недостатков, но они постепенно ликвидируются по мере развития конструкции.
Характеризуя газовую турбину, прежде всего следует отметить, что она, как и паровая турбина, может развивать большие обороты. Это дает возможность получать значительную мощность от гораздо меньших по размерам (по сравнению с поршневыми) и почти в 10 раз более легких по весу двигателей.
Вращательное движение вала является по существу единственным видом движения в газовой турбине, в то время как в двигателе внутреннего сгорания, помимо вращательного движения коленчатого вала, имеет место возвратно-поступательное движение поршня, а также сложное движение шатуна. Газотурбинные двигатели не требуют специальных устройств для охлаждения. Отсутствие трущихся деталей при минимальном количестве подшипников обеспечивают длительную работоспособность и высокую надежность газотурбинного двигателя.
Наконец, важное значение имеет то обстоятельство, что для питания газотурбинного двигателя используется керосин либо топлива типа дизельных, т.е. более дешевые, чем бензин.
Основная причина, которая сдерживает развитие автомобильных газотурбинных двигателей, заключается в необходимости искусственно ограничивать температуру газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает коэффициент полезного действия двигателя и приводит к повышенному удельному расходу топлива (на 1 л.с.).
Температуру газа приходится ограничивать для газотурбинных двигателей пассажирских и грузовых автомобилей в пределах 600—700°C, а в авиационных турбинах до 800-900°C потому, что еще очень дороги высокожаропрочные металлы.
В настоящее время уже существуют некоторые способы повышения коэффициента полезного действия газотурбинных двигателей путем охлаждения лопаток, использования тепла отработавших газов для подогрева поступающего в камеры сгорания воздуха, производства газов в высокоэффективных свободно-поршневых генераторах, работающих по дизель-компрессорному циклу с высокой степенью сжатия и т. д. От успеха работ в этой области во многом зависит решение проблемы создания высокоэкономичного автомобильного газотурбинного двигателя.
Большинство существующих автомобильных газотурбинных двигателей построено по так называемой двухвальной схеме с теплообменниками. На рис. 2 представлена такая схема.

Рис.2. Принципиальная схема двухвального газотурбинного двигателя с теплообменником

Здесь для привода компрессора 1 служит специальная турбина 8, а для привода колес автомобиля — тяговая турбина 7. Валы турбин не соединены между собой. Газы из камеры сгорания 2 вначале поступают на лопатки турбины привода компрессора, а затем на лопатки тяговой турбины. Воздух, нагнетаемый компрессором, прежде чем поступить в камеры сгорания, подогревается в теплообменниках 3 за счет тепла, отдаваемого отработавшими газами.
Применение двухвальной схемы создает выгодную тяговую характеристику газотурбинных двигателей, позволяющую сократить число ступеней в обычной коробке передач автомобиля и улучшить его динамические качества.
Ввиду того, что вал тяговой турбины механически не связан с валом турбины компрессора, число его оборотов может изменяться в зависимости от нагрузки, не оказывая существенного влияния на число оборотов вала компрессора. Вследствие этого характеристика крутящего момента газотурбинного двигателя имеет вид, представленный на рис. 3, где для сопоставления нанесена также и характеристика поршневого автомобильного двигателя (пунктиром).

Рис. 3. Характеристики крутящего момента двухвального газотурбинного двигателя и поршневого

Из диаграммы видно, что у поршневого двигателя по мере уменьшения числа оборотов, происходящего под влиянием возрастающей нагрузки, крутящий момент вначале несколько возрастает, а затем падает. В то же время у двухвального газотурбинного двигателя крутящий момент автоматически возрастает по мере увеличения нагрузки. В результате необходимость в переключении коробки передач отпадает либо наступает значительно позже, чем у поршневого двигателя. С другой стороны, ускорения при разгоне у двухвального газотурбинного двигателя будут значительно большими.
Характеристика одновального газотурбинного двигателя отличается от показанной на рис. 3 и, как правило, уступает, с точки зрения требований динамики автомобиля, характеристике поршневого двигателя (при равной мощности).
Большую перспективу имеет газотурбинный двигатель, схема которого показана на рис. 4. В этом двигателе газ для турбины вырабатывается в так называемом свободно-поршневом генераторе, представляющем собой двухтактный дизель и лоршневой компрессор, объединенные в общем блоке.

Рис. 4. Принципиальная схема газотурбинного двигателя со свободно-поршневым генератором газа

Энергия от поршней дизеля передается непосредственно поршням компрессора. Ввиду того, что движение поршневых групп осуществляется исключительно под действием давления газов и режим движения зависит только от протекания термодинамических процессов в дизельном и компрессорных цилиндрах, такой агрегат и называется свободно-поршневым. В его средней части расположен открытый с двух сторон цилиндр 4, имеющий прямоточную щелевую продувку, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. В цилиндре оппо-зитно перемещаются два поршня, один из которых 9 во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выхлопные окна, прорезанные в стенках цилиндра. Другой поршень 3 также открывает и закрывает продувочные окна. Поршни связаны между собой легким реечным или рычажным синхронизирующим механизмом, не показанным на схеме. Когда они сближаются, воздух, заключенный между ними, сжимается; к моменту достижения мертвой точки температура сжимаемого воздуха становится достаточной для воспламенения топлива, которое впрыскивается через форсунку 5. В результате сгорания топлива образуются газы, обладающие высокой температурой и давлением; они заставляют поршни разойтись в стороны, при этом поршень 9 открывает выхлопные окна, через которые газы устремляются в газосборник 7. Затем открываются продувочные окна, через которые в цилиндр 4 поступает сжатый воздух, находящийся в ресивере 6. Воздух вытесняет из цилиндра выхлопные газы, смешивается с ними и также поступает в газосборник. За то время, пока продувочные окна остаются открытыми, сжатый воздух успевает очистить цилиндр от выхлопных газов и заполнить его, подготовив таким образом двигатель к следующему рабочему ходу.
С поршнями 3 и 9 связаны компрессорные поршни 2, двигающиеся в своих цилиндрах. При расходящемся ходе поршней идет всасывание воздуха из атмосферы в компрессорные цилиндры, при этом самодействующие впускные клапана 10 открыты, а выпускные 11 закрыты. При встречном ходе поршней впускные клапана закрыты, а выпускные открыты и через них воздух нагнетается в ресивер 6, окружающий дизельный цилиндр. Поршни двигаются навстречу друг другу за счет энергии воздуха, накопившейся в буферных полостях 1 во время предыдущего рабочего хода. Газы из сборника 7 поступают в тяговую турбину 8, вал которой соединен с трансмиссией. Следующее сопоставление коэффициентов полезного действия показывает, что описанный газотурбинный двигатель уже сейчас по своей эффективности не уступает двигателям внутреннего сгорания:

Таким образом, к.п.д. лучших образцов турбин не уступает к.п.д. дизелей. Не случайно поэтому количество экспериментальных газотурбинных автомобилей различного типа возрастает с каждым годом. Все новые фирмы в различных странах объявляют о своих работах в этой области.
Значительных успехов в создании газотурбинных двигателей добилась, пожалуй, американская фирма Дженерал Моторс Компани, ведущая экспериментальные работы с газотурбинным двигателем ХР-21, который был испытан на гоночном автомобиле «Огненная птица» и многоместном междугородном автобусе. Схема этого двухкамерного двигателя, не имеющего теплообменника, представлена на рис. 5.

Рис.5. Схема газотурбинного двигателя ХР-21

Его эффективная мощность составляет 370 л.с. Топливом для него служит керосин. Скорость вращения вала компрессора достигает 26 000 об/мин, а скорость вращения вала тяговой турбины от 0 до 13000 об/мин. Температура газов, поступающих на лопатки турбины, равна 815°C, давление воздуха на выходе из компрессора — 3,5 ат. Общий вес силовой установки, предназначенной для гоночного автомобиля, составляет 351 кг, причем газопроизводящая часть весит 154 кг, а тяговая часть с коробкой передач и передачей на ведущие колеса — 197 кг.
Автомобиль «Огненная птица» с этим двигателем развивает скорость выше 320 км/час. Его полный вес равен 1270 кг. Расход топлива на максимальной скорости составляет 189,3 л/час, или 59 л на 100 км. Двигатель расположен в задней части автомобиля; привод осуществляется на задние колеса. Отработавшие в двигателе газы выходят в атмосферу через реактивное сопло, в результате чего создается дополнительное тяговое усилие.
Другой газотурбинный двигатель — «Боинг 502-1» (рис. 6) был установлен на тяжелом грузовике. Двигатель развивает мощность 175 л. с.

Рис.6. Газотурбинный двигатель «Боинг-502-1»

Весит он 90,7 кг и занимает небольшое подкапотное пространство. О компактности газотурбинного двигателя можно судить по фотографии (рис. 7), на которой показаны два грузовика, шасси которых одинаковы, но на одном (слева) установлен газотурбинный двигатель, а на другом (справа) — поршневой бензиновый.

Рис. 7. Тяжелые грузовики с различными двигателями

Фирма Крайслер (США) также ведет экспериментальные работы с газотурбинными двигателями. Легковой автомобиль этой фирмы («Плимут») с установленным на нем газотурбинным двигателем мощностью 120 л. с., снабженным теплообменником, расходует 15,9 л топлива на 100 км пробега.
В течение нескольких лет проводит испытания своего газотурбинного спортивно-пассажирского автомобиля мощностью 250 л.с. (рис. 8) итальянская фирма Фиат.

Рис.8. Газотурбинный автомобиль Фиат

Двухступенчатый центробежный нагнетатель газотурбинного двигателя этого автомобиля вращается со скоростью 30 000 об/мин. Степень повышения давления в нагнетателе 4,5:1. Три камеры сгорания подают в турбину газ при температуре 800°C. Тяговая турбина вращается со скоростью до 22 000 об/мин. Вал тяговой турбины пропущен внутри вала компрессора и соединен с редуктором, расположенным спереди двигателя. Двигатель помещается в задней части кузова автомобиля и приводит в движение задние колеса. Общий вес автомобиля — 1000 кг. Двигатель с редуктором, системой передач и дифференциалом весит 258,6 кг. Автомобиль развивает скорость до 240 км/час.
Английская фирма Ровер одна из первых начала заниматься газотурбинными двигателями (1948 г.). Сейчас она подготовила два новых экспериментальных автомобиля с газотурбинными двигателями. Один из них — «Джет-1» с двигателем мощностью 200 л.с. предназначается для спортивных целей. Другой (рис. 9) — пассажирский, с двигателем мощностью 120 л. с., имеющим теплообменник; вал компрессора этого двигателя вращается со скоростью 50 000 об/мин, а вал тяговой турбины — до 30 000 об/мин. Автомобиль расходует 16,9 л топлива на 100 км пробега.

Рис.9. Газотурбинный автомобиль Ровер

Разносторонние работы в области газотурбинных автомобилей проводятся также и во Франции. Так, фирма Сосьете Турбомека выпустила газотурбинный автомобильный двигатель с одноступенчатым радиальным компрессором и кольцевой камерой сгорания, причем горючее подводится по валу компрессора (рис. 11).

Рис. 11. Разрез малой турбины «Турбомека»: 1 — вход воздуха; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — турбина привода компрессора; 5 — тяговая турбина; 6 — коробка передач; 7 — управление двигателем

Установка запроектирована без теплообменника и развивает мощность до 300 л .с., расходуя 440 г/л.с. в час. Она весит 100 кг, т.е. около 0,36 кг/л. с. Число оборотов компрессора составляет 35 000 в минуту, турбины — 27 000 об/мин. Температура входящего в турбину газа достигает 820°C.
Для 10-тонного грузовика, предназначенного к эксплуатации в трудных условиях, французская фирма Ляфли создала газотурбинный агрегат мощностью 180—200 л.с. с одноступенчатым радиальным компрессором, без теплообменника. Рабочий газ для турбины вырабатывается в двух камерах сгорания. Вес агрегата составляет 205 кг, что соответствует 1,1 кг/л.с. Расход топлива не должен превышать 400 г/л.с. в час. Скорость вращения вала компрессора достигает 42 000 об/мин, а турбины — 30 000 об/мин. Входная температура газа равна 800°C.
В последнее время большое внимание привлекают также работы французской фирмы Гочкис, создавшей газотурбинный двигатель с тремя камерами сгорания, мощностью 100 л. с. Автомобиль с этим двигателем (рис. 12) развивает скорость до 200 км/час, расходуя от 40 до 57 л топлива на 100 км пробега. Компрессор двигателя развивает 45 000 об/мин, а вал турбины — 25 000 об/мин.

Рис. 12. Расположение агрегатов в газотурбинном автомобиле фирмы Гочкис: 1 — вход; 2 — центробежный нагнетатель; 3 — стартер; 4 — камера сгорания; 5 — топливный насос; 6 — газовая турбина; 7 — выхлопная труба; 8 — понижающая коробка передач; 9 — шарнирное сцепление; 10 — приводной вал; 11 — фрикционное сцепление; 12 — электромагнитная коробка передач фирмы Коталь; 13 — электромагнитные тормоза; 14 — задняя ось с дифференциалом

В заключение следует упомянуть новый испанский проект, разработанный Центральным автомобильно-техническим институтом в Мадриде (рис. 10). Испанская установка, снабженная двумя теплообменниками, весит 120 кг и развивает мощность 170 л. с., что соответствует 0,7 кг/л.с. Температура газа в турбине составляет 800° Ц. Радиальный двухступенчатый нагнетатель, имеющий степень повышения давления 4,35, развивает 29 000 об/мин, турбина — 24 700 об/мин. Этот газотурбинный двигатель предназначен для установки на автобус; запроектировано заднее расположение двигателя, с подводом воздуха через крышу.

Рис. 10. Испанский газотурбинный двигатель, предназначенный для автобуса: 1 — двухступенчатый нагнетатель; 2 — две независимые турбины; 3 — теплообменник; 4 — вспомогательные агрегаты; 5 — планетарная передача

Есть все основания считать, что газовая турбина, являясь более прогрессивным типом двигателя, уже в ближайшие годы получит распространение на автомобильном транспорте.

Источник статьи: http://gaz21.ru/articles/misc/133-gazoturbinnye-avtomobili.html