Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Газотурбинные двигатели

В последние годы ведутся разработки по применению газотурбинного двигателя в качестве энергетической установки для автомобиля. Это связано не только со специфическими преимуществамиг газотурбинного двигателя, но и в значительной степени с тем, что для автомобилей большой грузоподъемности и автопоездов необходимы двигатели большой мощности (до 10001500 кВт).

Отсутствие возвратно-поступательно движущихся частей, высокая частота вращения ротора позволяют существенно снизить удельную массу и габаритные размеры газотурбинного двигателя по сравнению с дизелем. Это дает возможность рассматривать его как перспективный двигатель для автомобилей большой грузоподъемности.

Принципиальная схема простейшего газотурбинного автомобильного двигателя показана на рис. 320. Он состоит из центробежного компрессора 12, камеры сгорания 3, куда поступает топливо через форсунку 2, компрессорной 10 и тяговой 9 турбин. Диск 4 турбины 10 и крыльчатка 1 компрессора 12 расположены на одном валу 11.

Диск 6 тяговой турбины 9 посажен на вал 7, который через редуктор 8 связан с трансмиссией автомобиля. По числу кинематически не связанных между собой валов (11 и 7) двигатель с такой схемой называется двухвальным. В настоящее время он имеет преимущественное распространение в автомобильном газотурбостроении.

Основными агрегатами газотурбинного двигателя являются компрессор, турбины и камера сгорания. Кроме того, он имеет регулятор частоты вращения, масляный насос, стартер и другое вспомогательное оборудование. В автомобильных газотурбинных двигателях

обычно применяют одноступенчатый центробежный компрессор, повышающий давление воздуха в 3,54 раза. Для достижения указанного давления необходимо, чтобы рабочее колесо компрессора вращалось с максимально допускаемой по условиям прочности окружной скоростью, которая при размерах крыльчатки, применяемой в автомобильных газотурбинных двигателях, составляет 420450 м/с.

Камера сгорания 3 изготовлена из жаростойкого листового материала и имеет трубчатую или кольцевую конструкцию.

В автомобильных газотурбинных двигателях применяют центростремительные и осевые турбины. Показанная на рис. 321 компрессорная турбина является центростремительной, а тяговая осевой. Независимо от типа турбина состоит из соплового аппарата 5 (см. рис. 320) и рабочего колеса. Сопловой аппарат представляет собой систему неподвижных лопаток специального профиля, расположенных по окружности.. Рядом стоящие лопатки ограничивают канал сопла. Протекая по этим каналам, газы расширяются, вслед-

ствие чего их давление уменьшается, а скорость увеличивается до 600750 м/с.

В осевой турбине газ, протекая по каналам рабочего колеса, меняет направление движения в соответствии с профилем лопаток. Оказывая давление на лопатки, газ создает силу, приводящую во вращение рабочее колесо.

В центростремительной турбине при движении газа по вращающемуся каналу рабочего колеса, расстояние которого от оси вращения уменьшается, возникает кориолисова сила, являющаяся основной приводящей во вращение колесо.

Наиболее высокий КПД в турбине достигается, когда окружная скорость вращения колеса составляет 0,50,6 скорости газов на выходе из соплового аппарата. Следовательно, при указанных выше значениях скорости газа окружная скорость колеса турбины должна равняться 350420 м/с. Возникающие при этом центробежные силы вызывают значительные напряжения в диске и лопатках турбины. Так как диск и лопатки во время работы сильно нагреваются, то для противодействия этим напряжениям материал, из которого они сделаны, отличается особой жаропрочностью. Сплавы, применяемые для изготовления турбин, состоят из вольфрама, молибдена, никеля и т. п.

Газотурбинный двигатель, схема которого показана на рис. 320, работает следующим образом. Вал компрессора приводится в движение стартером. Пусковая частота вращения составляет 2530% номинальной. Компрессор подает сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую через форсунку 2 при помощи шестеренчатого насоса нагнетается топливо. Затем электрической свечой накаливания поджигается топливо. Как только образуется устойчивая зона горения, последующие порции топлива воспламеняются непосредственно от соприкосновения с пламенем, и свеча выключается.

Продукты сгорания из камеры 3 поступают в компрессорную турбину 10, где они расширяются. При этом давление равно их среднему значению между давлением за компрессором и давлением окружающей среды. Этого расширения достаточно для того, чтобы турбина могла вращать компрессор и связанные с валом вспомогательные механизмы.

Окончательное расширение продуктов сгорания происходит в тяговой турбине 9. Получаемая при этом механическая энергия расходуется на движение автомобиля.

Отработавшие газы через выпускную трубу удаляются в атмосферу.

Отсутствие в двигателе возвратно-поступательно движущихся деталей позволяет доводить частоту вращения его ротора до 25 000 40 000 об/мин. Удельная масса двигателя такой схемы не превышает 0,350,5 кг/кВт. В газотурбинном двигателем сведено к минимуму число трущихся пар. Потери на трение возникают лишь в подшипниках валов и шестернях редуктора. Поверхности трения не омываются горячими газами. Поэтому система смазки упрощается. Расход масла существенно снижен по сравнению с поршневым двигателем. Механический КПД имеет высокое значение (достигает 0,920,94). Непрерывность процесса сгорания и относительная его продолжительность позволяют применять простую топливоподающую аппаратуру: шестеренчатый насос и центробежную форсунку.

Газотурбинный двигатель отличается высокими пусковыми качествами. Стартер относительно малой мощности обеспечивает его пуск при любой температуре окружающего воздуха (до 50° С). Это свойство особенно важно при эксплуатации автомобиля в арктических условиях. Существенным преимуществом автомобильного газотурбинного двигателя является его сравнительно небольшая токсичность отработавших газов. При работе двигателя под нагузкой она в 37 раз меньше, чем у дизеля. Это может иметь решающее значение при выборе двигателя для работы в карьерах. Снижение токсичности вызвано высоким средним значением коэффициента избытка воздуха аСр, более низкими по сравнению с поршневым двигателем температурой и давлением сгорания, и наконец, большим временем сгорания.

Газотурбинный двигатель полностью уравновешен, в связи с этим подмоторная рама для него может иметь значительно меньшую массу, чем для поршневого двигателя. Кроме того, газотурбинный двигатель обладает особыми преимуществами при установке его па автомобиль. В этом случае не нужно сцепление, так как вращение компрессионного вала во время запуска производится при неподвижной тяговой турбине. По этой причине (разобщение двух валов) тяговая характеристика имеет весьма благоприятный характер. Крутящий момент при трогании автомобиля с места более чем в 2 раза превышает крутящий момент на номинальном режиме. Это позволяет сократить число ступеней в коробке передач и облегчает работу водителя, так как он значительно реже переключает передачи и управляет двигателем, воздействуя только на педаль подачи топлива.

Следует, однако, заметить, что в связи с опасностью разноса тяговой турбины при внезапном сбросе нагрузки, переключение передач требует специального устройства. Его применение усложняет конструкцию коробки передач.

Газотурбинный двигатель рассматриваемой схемы обладает рядом недостатков, устранение которых связано с усложнением конструкции. Недостатки эти следующие: низкая экономичность па номинальном режиме по сравнению с поршневыми двигателями; большой расход воздуха при данной мощности; высокие требования к чистоте всасываемого воздуха; резкое ухудшение экономичности при работе на частичной нагрузке; невозможность торможения автомобиля двигателем.

Низкая экономичность на номинальном режиме определяется относительно небольшой степенью повышения давления в компрессоре. В результате этого температура отработавших газов оказывается высокой и с ними выбрасывается большое количество теплоты. Для ее частичной утилизации применяют теплообменники. На рис. 321 показана схема двигателя с двумя дисковыми вращающимися теплообменниками. Отработавшие газы, прежде чем выйти в атмосферу, проходят через медленно поворачивающийся отсек теплообменника, наполненный теплоемкой набпвкой в виде мотков проволоки, металлической ленты и т. п. Набивка нагревается и при вращении передает запасенную теплоту воздуху, идущему из компрессора в камеру сгорания. Таким образом, подаваемый компрессором воздух нагревается не только за счет сжигаемого топлива в камере сгорания, но и за счет теплоты отработавших газов. Это приводит к значительной экономии топлива. Удельный расход топлива в двигателе с теплообменником в 1,5 раз меньше, чем без теплообменника. Экономичность современных газотурбинных двигателей с теплообменником близка к экономичности дизеля.

Недостатком двигателя с теплообменником является сложность его изготовления, а также увеличение массы и габаритных размеров двигателя из-за наличия теплообменника и воздухо- и газопроводов.

Степень чистоты воздуха, поступающего в газотурбинный двигатель, имеет большое значение. Поскольку частота вращения рабочих колес компрессора и турбины высокая, при попадании частиц пыли в проточную часть очень быстро изнашивается двигатель. Поэтому на входе в компрессор необходимо устанавливать воздухоочистители, которые полностью очищают воздух от пыли.

Тщательная очистка воздуха от пыли должна производиться при минимальных гидравлических сопротивлениях фильтра. Газотурбинный двигатель весьма чувствителен к гидравлическим потерям. Фильтр ГТД с потерями 15 кПа эквивалентен по его влиянию на рабочий процесс сопротивлению, равному 50 кПа фильтра поршневого двигателя. Следует иметь в виду, что из-за больших коэффициентов избытка воздуха и более высоких удельных расходов топлива в двигателях без теплообменника через газотурбинный двигатель проходит приблизительно в 8 раз больше воздуха, чем через поршневой такой же мощности. В результате этого сечения воздухо- и газопроводов увеличиваются. Камера сгорания, выпускная труба, воздухоочиститель, теплообменник и соответствующие газовые коммуникации значительно увеличивают габаритные размеры установки. Поэтому современный автомобильный ГТД в значительной степени утратил преимущества по габаритным размерам по сравнению с поршневым двигателем.

Чтобы уменьшить габаритные размеры газотурбинной установки, увеличивают допустимую температуру газа. В современных автомобильных газотурбинных двигателях она достигает 1150° С при воздушном охлаждении лопаток сопловых аппаратов и рабочих колес.

Повышение температуры резко увеличивает удельную мощность двигателя и, следовательно, понижает расход проходящего через него воздуха. Это позволяет сократить размеры проходных сечений теплообменника, воздухоочистителя и газотрубопроводов. Габаритные размеры силовой установки существенно снижаются. Однако введение воздушного охлаждения проточной части турбины усложняет технологию и повышает стоимость изготовления двигателя.

Для двигателей мощностью до 750 кВт введение воздушного охлаждения лопаток весьма затруднительно из-за их малого размера.

Установка теплообменника и увеличение температуры цикла позволяют уменьшить удельный расход топлива на номинальном режиме, однако при работе на частичных нагрузках, характерных для эксплуатации автомобильного двигателя, удельный расход топлива резко возрастает. Это происходит по следующим причинам. При снижении нагрузки уменьшается подача топлива в камеру сгорания и температура газа падает. Одновременно с этим автоматически понижается частота вращения компрессора и, следовательно, падает давление за ним, в результате термический КПД цикла и экономичность двигателя уменьшаются.

Повышения термического КПД и соответственно экономичности при понижении нагрузки у двухвального газотурбинного двигателя можно достичь следующими способами. Первый способ устройство поворотных сопловых лопаток тяговой турбины. При снижении нагрузки и расхода топлива лопатки соплового аппарата прикрываются, расход воздуха через двигатель уменьшается, а температура цикла сохраняется неизменной. Это мероприятие, эффективное для двигателя с теплообменником, позволяет сохранить практически постоянным удельный расход топлива при снижении мощности до 50?/о номинальной. Второй способ установка обгонной муфты между тяговой и компрессорной турбинами. При переходе двигателя на работу с частичной нагрузкой турбины блокируются и двигателе начинает работать как одновальный. Это дает возможность на режимах частичных нагрузок поддерживать неизменную температуру цикла и таким образом сохранить экономичность.

Применение указанных способов позволяет использовать двигатель для торможения автомобиля. В первом случае для этого достаточно изменить угол наклона лопаток соплового аппарата, так, чтобы затормозить рабочее колесо тяговой турбины. При втором способе тормон^ение автомобиля двигателем осуществляется путем использования энергии вращения колес автомобиля для сжатия воздуха в компрессоре.

Таким образом, усложнение первоначально очень простой схемы дает возможность использовать газотурбинный двигатель в качестве весьма совершенного автомобильного силового агрегата. Однако при этом он в значительной степени теряет свои преимущества в отно-ношении габаритных размеров, массы и стоимости. В настоящее время ведутся работы по внедрению газотурбинных двигателей в качестве силовой установки для привода автомобилей большой грузоподъемности и автопоездов.

Реклама