Газотурбинный двигатель. Устройство и принцип работы. Газотурбинный двигатель


Газотурбинный двигатель. Устройство и принцип работы.

Газотурбинный двигатель – это разновидность теплового двигателя, который работает по не очень простому принципу. Газ в двигателе сжимается и нагревается, после чего, энергия этого газа преобразуется в механическую работу. Как Вы могли заметить, с первых слов описания данного двигателя, все процессы происходят в потоке движущегося газа, что кардинально отличается от принципа работы поршневого двигателя.

Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?

  • Подача и смесь. Атмосферный воздух в сжатом виде поступает из компрессора в камеру сгорания. Туда же поступает и топливо, в результате чего получается топливная смесь, которая в процессе сгорания выделяет очень много энергии.
  • Преобразование. После того, как топливная смесь в процессе сгорания преобразуется в энергию, необходимо преобразовать ее в механическую работу. Это происходит благодаря вращению специальных «лопаток» струей газа под большим давлением.
  • Разделение работы. Часть полученной механической работы от энергии топливной смеси, уходит на сжатия воздуха для следующей подачи, в компрессоре, а остальная энергия передается на приводимый агрегат.

Именно та работа, которая передается на приводимый агрегат и называется полезной! К слову, газотурбинный двигатель по праву считается двигателем, имеющим наибольшую удельную мощность, среди остальных двигателей внутреннего сгорания. Топливом к газотурбинному двигателю можно считать практически любое горючее: керосин, бензин, мазут, природный газ, дизельное топливо, судовое топливо, водяной газ, спирт, а также мелкий уголь!

Принцип работы газотурбинных двигателей. Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление. Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху. Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания. Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.

Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.

Устройство газотурбинного двигателя. Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить. Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором. К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла.

При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление. После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку. Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение. Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.

Основным недостатком газотурбинного двигателя  является стоимость тепло прочных материалов, из которых должен быть построен двигатель. Помимо этого сложность работ и высокая степень очистки воздуха, который попадает в двигатель, также хорошо бьют по карману, но не смотря ни на что, разработка и усовершенствование газотурбинного двигателя уже вовсю проходит как в нашей стране, так и за границей.

Типы газотурбинных двигателей.Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение – немного различно. В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках.К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем.У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках,было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты.

yamotorist.ru

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.

 

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.

 

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.

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.

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

 

avia.pro

Газотурбинный двигатель морского судна

В 50-х гг. этого столетия на судах начали применять новый вид главного двигателя — газовую турбину. По принципу действия газовая турбина аналогична паровой. Рабочей средой в них служат газы, образующиеся в результате сжигания жидкого топлива. Газовые турбины используют, в качестве приводов для центробежных компрессоров в турбонаддувочных агрегатах ДВС. В газовых турбинах газы образуются в особой камере сгорания. Так как температура газов очень высока, что влияет на срок службы турбин, в камеру сгорания необходимо подавать намного больше воздуха, чем требуется для сжигания топлива. Из-за избытка воздуха температура рабочих газов понижается до 700—800°С. На рисунке дана схема газовой турбины с так называемым открытым циклом, когда воздух забирается из атмосферы и отработавшие газы также выбрасываются в атмосферу. Тринадцати ступенчатый осевой компрессор приводится в действие специальной двухступенчатой газовой турбиной. Сжатый до давления около 0,4 МПа воздух подается в камеру сгорания, служащую для получения и последующего охлаждения газов. Отработавшие газы проходят через турбину компрессорного двигателя; при этом их давление понижается до 0,17 МПа, а температура - с 750 до 580°С. Вторая - тоже двухступенчатая - газовая турбина является собственно рабочей турбиной, которая через редукторную передачу приводит в движение либо судовой движитель, либо генератор. В судовых газовых турбинах довольно часто применяются поршневые компрессоры, так называемые свободнопоршневые генераторы. Газотурбинные двигатели устанавливают в основном на кораблях военно-морского флота. На торговых судах они не оправдали себя; в настоящее время газовые турбины используют только на небольшом количестве судов. Причинами понизившегося интереса к этому виду двигателей являются малый термический КПД, довольно большой расход топлива и высокая рабочая температура, требующая применения высокопрочных и дорогих материалов. К преимуществам газотурбинного двигателя относятся малые габаритные размеры по сравнению с достигаемой мощностью и небольшая собственная масса. Газовые турбины можно также использовать в качестве главных и вспомогательных двигателей на судах на подводных крыльях и воздушной подушке.

Принцип действия газовой турбины

1 — осевой компрессор; 2 — форсунка; 3 — камера сгорания; 4 — компрессорная турбина; 5 — рабочая турбина; 6 — редуктор; 7 — пусковой мотор; в — сжатый воздух; 9 — газоотводная труба; 10 — отработавшие газы

seaships.ru

Газотурбинный двигатель. Устройство и принцип работы.

Газотурбинный двигатель – это разновидность теплового двигателя, который работает по не очень простому принципу. Газ в двигателе сжимается и нагревается, после чего, энергия этого газа преобразуется в механическую работу. Как Вы могли заметить, с первых слов описания данного двигателя, все процессы происходят в потоке движущегося газа, что кардинально отличается от принципа работы поршневого двигателя.

Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?

  • Подача и смесь. Атмосферный воздух в сжатом виде поступает из компрессора в камеру сгорания. Туда же поступает и топливо, в результате чего получается топливная смесь, которая в процессе сгорания выделяет очень много энергии.
  • Преобразование. После того, как топливная смесь в процессе сгорания преобразуется в энергию, необходимо преобразовать ее в механическую работу. Это происходит благодаря вращению специальных «лопаток» струей газа под большим давлением.
  • Разделение работы. Часть полученной механической работы от энергии топливной смеси, уходит на сжатия воздуха для следующей подачи, в компрессоре, а остальная энергия передается на приводимый агрегат.

Именно та работа, которая передается на приводимый агрегат и называется полезной! К слову, газотурбинный двигатель по праву считается двигателем, имеющим наибольшую удельную мощность, среди остальных двигателей внутреннего сгорания. Топливом к газотурбинному двигателю можно считать практически любое горючее: керосин, бензин, мазут, природный газ, дизельное топливо, судовое топливо, водяной газ, спирт, а также мелкий уголь!

Принцип работы газотурбинных двигателей. Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление. Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху. Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания. Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.

Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.

Устройство газотурбинного двигателя. Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить. Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором. К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла.

При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление. После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку. Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение. Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.

Основным недостатком газотурбинного двигателя  является стоимость тепло прочных материалов, из которых должен быть построен двигатель. Помимо этого сложность работ и высокая степень очистки воздуха, который попадает в двигатель, также хорошо бьют по карману, но не смотря ни на что, разработка и усовершенствование газотурбинного двигателя уже вовсю проходит как в нашей стране, так и за границей.

Типы газотурбинных двигателей.Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение – немного различно. В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках.К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем.У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках,было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты.

yamotorist.ru

Турбовальный двигатель | Техника и человек

 

Для тех, кто интересуется моторами в целом и их авиационными моделями в частности, турбовальный двигатель в первую очередь ассоциируется с вертолетами, недаром их называют «вертолетными ГТД». Именно здесь ТВаД нашли наибольшее применение и уже не один десяток лет с успехом используются. Но вертолеты – не предел их возможностей, многие другие отрасли машино- и судостроения взяли на вооружение этот тип двигателей, но обо всем по порядку.

Итак, турбовальный двигатель принадлежит славному семейству газотурбинных двигателей (ГТД) наравне с турбореактивными (ТРД) и турбовинтовыми (ТВД). ГТД представляет собой тепловую машину, в упрощенной схеме состоящую из компрессора и турбины, работающей за счет сжигания топлива в камере сгорания. Наиболее простой его разновидностью является турбореактивный двигатель, в котором энергия от сжигания топлива идет только на вращение компрессора через турбину, а излишек энергии выходит через сопло в виде газов под высоким давлением, образуя реактивную тягу. Но эта энергия может не только «вылетать в трубу», но и выполнять полезную работу, вращая воздушный винт (турбовинтовой двигатель) или вал (турбовальный двигатель). Это и является принципиальной разницей между всеми вышеотмеченными видами моторов семейства ГТД – способ использования свободной энергии.

Устройство и принцип работы двигателя

Строение турбовального двигателя в общих чертах напоминает строение ТРД. Основными составляющими являются комрессор, турбина, камера сгорания и вал. В отличие от других газотурбинных двигателей ТВаД совсем не имеет реактивной тяги – вся свободная энергия расходуется на вращение вала, поэтому и сопла, как такового, у него нет, а есть только каналы (своеобразные выхлопные трубы), по которым отводятся отработанные газы. Еще одна особенность ТВаД – наличие не одной, а двух турбин, не связанных между собой механически. Одна турбина приводит в движение компрессор, а вторая – рабочий вал. Между собой они связаны газодинамически. Некоторые модели турбовинтовых двигателей также имеют схожую конструкцию, но не обязательно. В случае с ТВаД турбин всегда две.

Две основные схемы устройства ТВаД с описание расположенных механизмов. Картинки кликабельны.

Принцип работы турбовального двигателя тоже не сильно отличается от ТРД или ТВД. Компрессор, приводимый в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания, где он перемешивается с впрыснутым через форсунки топливом. Топливный заряд воспламеняется и сгорает, в результате чего образуются газы с большим запасом энергии. Расширяясь, они вращают турбины, приводя в движение компрессор и вал, а отработанные газы выводятся наружу.

Компрессор турбовального двигателя имеет несколько ступеней и может быть центробежным, осевым или комбинированным. Комбинированные компрессоры сочетают в себе и центробежные, и осевые ступени.

Обязательным конструктивным элементом ТВаД, как, впрочем, и турбовинтового двигателя, является редуктор, установленный между турбиной и валом. Сама турбина вращается с угловой скоростью, достигающей 20 000 об/мин. Понятно, что винт, закрепленный на валу и создающий тягу, не сможет работать при такой скорости и выполнять свои функции, ведь тогда ему придется вращаться со сверхзвуковой скоростью. Редуктор, установленный перед валом, понижает обороты и увеличивает крутящий момент, так что скорость вращения лопастей винта вертолета значительно меньше скорости вращения турбины.

Если турбовинтовые двигатели, которые используются на самолетах, должны иметь компактные размеры, а вал турбины и вал винта у них устанавливаются параллельно в одном корпусе, то к габаритам турбовальных двигателей таких жестких требований нет. Рабочий вал у них может находиться впереди турбины или за ней, в одном корпусе с ней или отдельно. Это объясняется тем, что мотор спрятан в конструкции кабины, где его можно расположить в любом удобном положении. Различают цельные моторы и модульные, состоящие из отдельных модулей, связанных между собой механически. Часто в одном модуле расположены компрессор и турбины, а в другом – рабочий вал, связанный с валом турбины редуктором.

Легкий американский вертолет AH-6j Little Bird

 

Применение

Нашел себе применение турбовальный двигатель и на земле. Правильнее даже говорить, что именно на земле он изначально и использовался, и только после появления авиации, как таковой, «переселился» на небо. Его можно встретить и на транспорте, и на различных магистральных станциях, где он обычно используется, как альтернатива дизельного двигателя. В сравнении с дизелем ТВД более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера.

В промышленности и народном хозяйства

ТВаД успешно используется в качестве нагнетателя природного газа на газоперекачивающих станциях. Его нередко можно увидеть на крупных газовых магистралях. Одна из последних разработок газовая турбина T16, мощностью 16 МВт. Короткое видео с применением турбовального двигателя в электроэнергетики.

Основные показатели:

  • 16,5 МВт — мощность на валу.
  • 37% — КПД, механический привод.
  • 36% — КПД, электрический (простой цикл).
  • 80% — КПД, комбинированное производство электроэнергии и тепла
  • 200 000 часов — полный жизненный цикл
  • выбросы NOx — не более 25 ppm.

Турбовальные двигатели используются в мобильных электростанциях для привода генератора. Электростанции с данным двигателем занимают меньший объем, аналогичной электростанции с традиционными двигателями.

В транспортной сфере

Несмотря на то, что в большинстве случаев турбовальные двигатели описываются, как силовые установки вертолетов, их применение не ограничено только ими. Частенько ТВаД играет роль не основного движителя, а вспомогательной установки. Такими установками обычно оснащаются самолеты, а используются они для питания энергией основных систем судна при его наземном обслуживании. То есть, когда самолет находится на земле, не обязательно запускать его основные моторы для получения электричества или создания давления в гидросистемах, для этого достаточно запуска такой небольшой установки. Также ТВаД используется в качестве пускового агрегата, который проворачивает ротор турбины при запуске. В этом случае он имеет название турбостартер.

Вид железнодорожного транспорта, на который устанавливается ТВаД, носит название газотурбовоз. Принцип его работы заключается в том, что турбовальный двигатель вращает вал генератора, вырабатывающего электрический ток. Ток поступает на электромоторы, которые, по сути, и являются основной силовой установкой. История газотурбовозов началась в 60-е годы, когда были сконструированы первые опытные образцы, правда, потом они уступили место более известным сейчас электровозам. Вместе с тем с 2007 года возобновились работы по созданию газотурбовозов, и даже был создан пробный экземпляр, работающий на сжиженном газе. Его испытания прошли успешно, так что в скором будущем, возможно, он будет выпускаться серийно.

Не обошли стороной ТВаД и создатели военной наземной техники. Некоторые танки, в том числе и отечественный Т-80 и американский М1 Abrams, оснащены ТВаД. Короткое видео разработки, внедрения и применения турбовального двигателя на танке.

Турбовальные двигатели также используются и на водном транспорте, называемом газотурбоходами. К ним относятся суда на воздушной подушке или на подводных крыльях. Наиболее известным отечественным газотурбоходом является военное судно «Зубр» — наиболее крупный десантный корабль на воздушной подушке. Этот гигант известен далеко за пределами России и является мировым рекордсменом среди суден на воздушной подушке по своим габаритам. А вот с отечественными пассажирскими газотурбоходами как-то не сложилось. Судно «Циклон», сконструированное в 80-хх годах, не пережило перестройки и со временем забылось, а новые пассажирские суда, оснащенные ТВаД пока не появились.

Танк Т-80 с газотурбинным двигателем Десантное судно «Зубр»

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом турбовального двигателя является то, что по сравнения с поршневыми двигателями он более легкий по весу, менее шумный и более мощный, если брать двигатели одного размера. Вся суть турбовального двигателя и заключается, чтоб максимально использовать энергию сгорающего топлива, по сравнению с поршневыми двигателями это реализуется лучшим образом. Тем самым в одном килограмме двигателя можно реализовать конструкцию, более мощную своих цилиндрических сородичей, которая с каждого килограмма топлива будет забирать тепловую энергию и преобразовывать ее в механическую.

Есть у турбовального двигателя и недостатки. Первый из них – сравнительно большой расход топлива и, соответственно, низкий КПД, несмотря на высокие показатели мощности. Именно этот недостаток объясняет его ограниченное применение на наземном транспорте, где его можно заменить более эффективными силовыми установками. Второй недостаток – чувствительность к загрязнениям. Компрессор, втягивая воздух в камеру сгорания, заодно всасывает и пыль, и посторонние предметы, что сказывается на качестве работы двигателя и на его исправность в целом. На высоких оборотах даже незначительные твердые частички могут повредить лопасти турбины. Поэтому ТВаД нуждается в надежной системе тщательной очистки воздуха, а расходы на нее далеко не всегда оправданы – в большинстве случаев намного проще и дешевле использовать традиционный дизель. Это еще одна причина, по которой эти двигатели в основном используются в воздухе: там и грязи меньше, и птицы летают ниже высоты полета, так что нормальной работе компрессора и турбины ничего не мешает. Зато масса ТВаД намного меньше любого поршневого двигателя, а это в авиации немаловажно.

Турбовальные двигатели – это действительно в первую очередь «сердца» вертолетов, а уж потом все остальное. Именно эти стальные «стрекозы» дают возможность оценить основные преимущества ТВаД, ну а недостатки в этом случае совсем незначительны.

zewerok.ru

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.

blamper.ru

Газотурбинный двигатель

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] 14098 0

В авиации газотурбинный двигатель полностью заменил поршневой даже в сравнительно небольших установках. Все больше применяется газовая турбина в судостроении и на тепловых электростанциях. От турбины в этих установках требуется отдача максимальной мощности при постоянной частоте вращения, частичные нагрузки при максимальной частоте вращения не используются и нет необходимости в быстром изменении мощности и частоты вращения. Повышается интерес к применению газовой турбины и для привода автомобиля. Ряд особенностей газотурбинного двигателя служат причиной того, что он до сих пор не применяется в автомобилях.

Характер кривой крутящего момента одновального газотурбинного двигателя невыгоден для применения в автомобиле. Момент быстро падает с уменьшением частоты вращения и имеет нулевое значение при снижении максимальной частоты вращения приблизительно на 40 %. Для привода автомобиля пригодна только двухвальная газовая турбина, изображенная на рис. 1. Турбина привода компрессора 3 приводит в движение компрессор 1, тяговая турбина 4 размещена на валу отбора мощности. В теплообменнике 5 отработавшие газы подогревают воздух на входе его в камеру сгорания 2, что улучшает термический КПД установки.

Рис. 1. Двухвальный газотурбинный двигатель:
а — схема двигателя; б — зависимость относительной величины крутящего момента от относительной частоты вращения.

Турбинное колесо 4 имеет наибольший момент, когда его частота вращения равна нулю, при этом компрессор с турбинным колесом 3 может вращаться с максимальной частотой вращения. При возрастании частоты вращения тяговой турбины ее крутящий момент изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис. 1, б. Такая характеристика крутящего момента очень выгодна для использования в автомобиле и может исключать использование преобразователя момента.

Другое отрицательное свойство газотурбинного двигателя состоит в том, что его удельный расход топлива при частичной нагрузке быстро возрастает. У автомобиля, особенно легкового, двигатель в основном работает при частичных нагрузках и полностью загружен лишь в течение очень короткого периода времени. Этим объясняется тот факт, что газотурбинный двигатель начали применять прежде всего на грузовых автомобилях для дальних магистральных перевозок, когда автомобильный двигатель постоянно работает в условиях, близких к полной нагрузке.

Возникают также проблемы размеров газотурбинного двигателя. КПД газовой турбины зависит не от частоты вращения колеса, а от его окружной скорости. Для сохранения оптимальной окружной скорости при необходимости уменьшения максимальной мощности следует уменьшить диаметр колеса, а его частоты вращения увеличить. Однако у турбин с небольшим диаметром колеса зазор между наружным диаметром лопаток и корпусом в связи с наличием допусков на изготовление не уменьшается пропорционально снижению диаметра турбинного колеса, а имеет большее относительное увеличение. Это означает большие потери при перетекании газа через этот зазор и ухудшение КПД турбины. Поэтому газовую турбину невыгодно применять в установках мощностью ниже 100 кВт. Эти недостатки газотурбинного двигателя тормозят его применение в легковых автомобилях.

Следует, однако, рассмотреть и основные преимущества газотурбинного двигателя, к ним относятся:

  • возможность применения почти всех видов топлива;
  • небольшое содержание вредных веществ в отработавших газах вследствие большого коэффициента избытка воздуха при сгорании в турбине;
  • более простое обслуживание, так как отпадает необходимость замены масла, которое не взаимодействует с горячими газами; минимальные потери трения в подшипниках, малый износ и большая долговечность;
  • отсутствие вибраций, так как вращающиеся детали можно легко сбалансировать;
  • малая шумность и возможности ее дальнейшего снижения;
  • благоприятная характеристика кривой крутящего момента;
  • легкость холодного пуска двигателя без необходимости обогащения смеси;
  • высокая удельная мощность на единицу массы;
  • отсутствие системы охлаждения.

Эти преимущества являются настолько важными, что в настоящее время ведутся интенсивные разработки газотурбинного двигателя для легковых автомобилей. Основное внимание уделено повышению максимальной температуры газов на входе в турбину. Уже получены хорошие результаты, и имевшаяся первоначально температура газов 900 °C увеличилась до требуемых 1300 °C. На рис. 2 показано влияние температуры на входе в турбину на ее мощность, термический КПД и удельный расход топлива.

Рис. 2. Влияние температуры на входе Tвх в турбину на КПД газотурбинного двигателя η и его удельный расход топлива ge.

Работу в условиях постоянной температуры выше 1300 °C не выдерживает ни один металл, поэтому необходимо применять керамические материалы. Для изготовления лопаток турбины целесообразно использовать нитриды кремния, которые и при указанной температуре имеют достаточную прочность. Недостатки керамических материалов состоят в том, что они не выдерживают резкого изменения температур при холодном пуске и изменении нагрузки. Разработки керамических материалов успешно продолжаются и можно ожидать, что после 1985 г. появятся материалы, которые позволят газотурбинному двигателю иметь такой же удельный расход топлива, как у дизеля.

Для снижения удельного расхода топлива в газовой турбине используют вращающийся теплообменник. Он представляет собой диск из пористого керамического материала, приводимый от двигателя и вращающийся с очень низкой частотой вращения. Отработавшие газы из турбины проходят через этот диск и нагревают его. Поворачиваясь, нагретая часть диска подходит к отверстиям трубопровода, ведущего от компрессора в камеру сгорания, и воздух, проходя через диск в противоположном направлении, нагревается. Теплота, которая была бы отведена из двигателя с отработавшими газами, используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания. Трудности состоят в герметизации диска теплообменника, необходимой для предотвращения потерь теплоты при перемещении диска от одного трубопровода к другому. Негерметичность современных теплообменников составляет сейчас лишь 2 % от величины, наблюдавшейся у их первых прототипов.

Хорошие динамические характеристики двухвальной газовой турбины обеспечиваются регулируемым направляющим аппаратом, т. е. поворотными направляющими лопатками перед вторым турбинным колесом. Привод лопаток – гидравлический, управляемый электронным устройством, которое осуществляет также контроль безопасности работы турбины при возникновении неисправностей в ней или в некоторых из ее деталей.

При резком отпускании педали управления двигателем поворотные лопатки перед турбиной устанавливаются в положение торможения и на турбине возникает отрицательный момент, в результате действия которого частота вращения тяговой турбины быстро снижается.

В качестве примера на рис. 3 представлен схематичный разрез турбины, разработанной фирмой «Мерседес-Бенц» для большого легкового автомобиля. Турбина выполнена по двухвальной схеме с вращающимся теплообменником. Достигнутая мощность 94 кВт, наибольший крутящий момент 332 Н∙м при заторможенном вале тяговой турбины. Степень сжатия одноступенчатого радиального компрессора равна при этом 4, температура на входе в турбинное колесо достигает 1252 °C.

Рис. 3. Схема газотурбинного двигателя «Мерседес-Бенц» дли легковых автомобилей:
1 — воздушный фильтр; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — турбина привода компрессора; 5 — тяговая турбина с регулируемым направляющим аппаратом; 6 — вращающийся керамический теплообменник; 7 — привод вспомогательных агрегатов.

Расчетная мощность этого двигателя составляет 110 кВт при частоте вращения вала первой турбины 60000 – 65000 мин-1, максимальный крутящий момент 550 Н∙м. Двигатель рассчитан на работу при температуре поступающих из камеры сгорания газов на вход в турбину около 1350 °C. Диаметр колеса компрессора составляет 180 – 185 мм, колеса первой турбины 165 мм, второй – 170 – 175 мм. На основе характеристики этого двигателя были проведены расчеты расхода топлива автомобилем массой 1600 кг, оснащенного таким двигателем. При скорости 90 км/ч, расчетный расход топлива равен 5,1 л/100 км, при скорости 120 км/ч — 6,7 л/100 км, в городском цикле согласно стандарту ДИН 70030 расход топлива составил 14,2 л/100 км. Турбина совместно с воздушным фильтром и приводом вспомогательных агрегатов имеет массу 240 кг, длину 770 мм, ширину 650 мм, высоту 550 мм. При проведении расчетов площадь фронтальной проекции автомобиля считалась равной 2 м2, а значение коэффициента сопротивления воздуха cx – 0,3.

Другая турбина, разработанная фирмой «Фольксваген», имеет сходную концепцию и развивает мощность 110 кВт. Степень сжатия компрессора 4,5, расход воздуха 0,84 кг/с. Температура газа на входе в турбину равна 1110 °C, минимальный удельный расход топлива составляет 290 г/(кВт∙ч), расход топлива при 30 %-ной нагрузке равен 330 г/(кВт∙ч). Масса турбины 210 кг. Расход топлива автомобилем модели «Ro 80» массой 1700 кг в городском цикле составил 15,3 л/100 км, на шоссе — 9,4 л/100 км, а в среднем — 12,6 л/100 км. Окружная скорость колеса компрессора с загнутыми назад лопатками составляет 513 м/с, максимальная частота вращения компрессора равна 63700 мин-1, тяговой турбины — 52200 мин-1. На входе в компрессор имеется регулируемый направляющий аппарат в виде поворотных лопаток, которые позволяют снизить расход топлива при частичных нагрузках и на холостом ходу.

Состояние развития в области газовых турбин в 1981 г. показывало, что достигнут заметный рост долговечности турбин мощностью выше 100 кВт, хотя по этому параметру турбины все еще отстают от двигателей внутреннего сгорания. Большое преимущество турбины состоит в том, что она может работать на заменителях нефтяного топлива. Дальнейшее развитие газотурбинных двигателей зависит от применения новых керамических материалов для рабочего колеса и направляющего аппарата турбины, ее теплообменника и камеры сгорания. При использовании в автомобиле двухвального газотурбинного двигателя необходимо после тяговой турбины применить редуктор и многоступенчатую автоматическую коробку передач. При этом использование трансформатора крутящего момента после турбины не требуется.

Опубликовано 17.03.2014

Читайте также

  • Природные заменители нефтяных топлив

    Постоянный рост потребности в бензине и дизельном топливе, а также данные исследований о запасах нефти привели к выводу, что уже в ближайшем, будущем спрос на нефть будет превышать ее добычу и возможно возникновение критической ситуации.

  • Складной автомобиль «Hiriko CityCar»

    Применение колёс с интегрированными двигателем, подвеской и тормозами освободило от целого ряда механических и гидравлических связей, позволив создать складной автомобиль «Hiriko CityCar».

Сноски

  1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с.: ил.//Стр. 22 - 23 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru

Комментарии

icarbio.ru