Газотурбинные двигатели температура газа

Газотурбинный двигатель — представляет собой тепловой силовой агрегат, который осуществляет свою работу по принципу реорганизации тепловой энергии в механическую.

Ниже подробно рассмотрим, как работает газотурбинный двигатель, а также его устройство, разновидности, преимущества и недостатки.

Газотурбинные двигатели температура газа

Отличительные черты газотурбинных двигателей

Сегодня наиболее широко подобный тип моторов используется в авиации. Увы, но из-за особенностей устройства они не могут применяться для обычных легковых автомобилей.

По сравнению с другими агрегатами внутреннего сгорания газотурбинный движок обладает наибольшей удельной мощностью, что является его основным плюсом. Помимо этого такой двигатель способен функционировать не только на бензине, но и на множества других видах жидкого горючего. Как правило, он работает на керосине либо на дизельном горючем.

Газотурбинный и поршневой двигатель, которые устанавливаются на «легковушках» за счет сжигания топлива изменяют химическую энергию горючего в тепловую, а затем и в механическую.

Но сам процесс у данных агрегатов немного различается. И в том и в другом движке сначала осуществляется забор (то есть воздушный поток поступает в мотор), затем происходит сжатие и впрыск горючего, после этого ТВС загорается, вследствие чего сильно расширяется и в результате выбрасывается в атмосферу.

Различие состоит в том, что в газотурбинных аппаратах все это проходит в одно время, но в различных частях агрегата. В поршневом же все осуществляется в одной точке, но по очередности.

Проходя через турбинный мотор, воздух сильно сжимается в объеме и благодаря этому увеличивает давление почти в сорок раз.

Газотурбинные двигатели температура газа

  • Единственное движение в турбине это вращательное, когда как в иных агрегатах внутреннего сгорания, помимо вращения коленвала также происходит движение поршня.
  • КПД и мощность газотурбинного двигателя выше чем у поршневого, несмотря на то, что вес и размеры меньше.
  • Для экономного потребления топлива газовая турбина оснащена теплообменником — диском из керамики, который функционирует от двигателя с небольшой частотой вращения.

Устройство и принцип работы агрегата

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

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

Во время вращения компрессорного вала, воздушный поток, поступающий через канал впуска, захватывается его лопастями. После увеличения скорости компрессора до пятисот м в секунду, он нагнетается в диффузор.

Скорость у воздуха на выходе диффузора снижается, но давление увеличивается.

Затем воздушный поток оказывается в теплообменнике, где происходит его нагрев за счет отработанных газов, а после этого воздух подается в камеру сгорания.

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

Газотурбинные двигатели температура газа

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

Плюсы и минусы двигателя

Газовая турбина, как и паровая, развивает большие обороты, что позволяет ей набирать хорошую мощность, несмотря на свои компактные размеры.

Охлаждается турбина очень просто и эффективно, для этого не нужно каких-либо дополнительных приборов. У нее нет трущихся элементов, а подшипников совсем немного, за счет чего движок способен функционировать надежно и долгое время без поломок.

Главный минус подобных агрегатов в том, что стоимость материалов, из которых они изготавливаются довольно высокая. Цена на ремонт газотурбинных двигателей тоже немалая. Но, несмотря на это они постоянно совершенствуются и разрабатываются во многих странах мира, включая нашу.

Газовую турбину не устанавливают на легковые автомобили, прежде всего из-за постоянной нужды в ограничении температуры газов, которые поступают на турбинные лопатки. Вследствие этого понижается КПД аппарата и повышается потребление горючего.

Сегодня уже придуманы некоторые методы, которые позволяют повысить КПД турбинных двигателей, например, с помощью охлаждения лопаток или применения тепла выхлопных газов для обогрева воздушного потока, который поступает в камеру. Поэтому вполне возможно, что через некоторое время разработчики смогут создать экономичный двигатель своими руками для автомобиля.

Газотурбинные двигатели температура газа

Среди главных преимуществ агрегата можно также выделить:

  • Низкое содержание вредоносных веществ в выхлопных газах;
  • Простота в обслуживании (не нужно менять масло, а все детали обладают износостойкостью и долговечностью);
  • Нет вибраций, поскольку есть возможность запросто сбалансировать вращающейся элементы;
  • Низкий уровень шума во время работы;
  • Хорошая характеристика кривой крутящего момента;
  • Заводиться быстро и без затруднений, а отклик двигателя на газ не запаздывает;
  • Повышенная удельная мощность.

Виды газотурбинных двигателей

По своему строению данные агрегаты разделяются на четыре типа. Первый из них это турбореактивный, его в большинстве своем устанавливают на военные самолеты, обладающие высокой скоростью. Принцип работы заключается в том, что газы, выходящие на большой скорости из мотора, через сопло толкают самолет вперед.

Другой тип — турбиновинтовой. Его устройство от первого отличается тем, что он имеет еще одну секцию турбины. Данная турбина составлена из ряда лопаток, которые забирают остаток энергии у газов, прошедших через турбину компрессора и благодаря этому осуществляют вращение воздушного винта.

Винт может располагаться как в задней части агрегата, так и в передней. Отходящие газы выводятся через выхлопные трубы. Такой реактивный аппарат оснащается на самолетах, летающих на низкой скорости и на малой высоте.

Газотурбинные двигатели температура газа

Третий тип — турбовентиляторный, который похож по своей конструкции на предыдущий двигатель, но у него 2-я турбинная секция забирает энергию у газов не полностью и поэтому подобные движки также обладают выхлопными трубами.

Главная особенность такого двигателя в том, что его вентилятор, закрытый в кожух, работает от турбины низкого давления. Поэтому движок называют еще 2-х контурным, поскольку воздушный поток проходит через агрегат, являющейся внутренним контуром и через свой внешний контур, необходимый только лишь для направления потока воздуха, который толкает мотор вперед.

Самые новейшие самолеты оборудованы именно турбовентиляторными двигателями. Они эффективно функционируют на большой высоте, а также отличаются экономичностью.

Последний тип — турбовальный. Схема и устройство газотурбинного двигателя этого типа почти такая же, как и у прошлого движка, но от его вала, который присоединен к турбине, приводится в действие практически все. Чаще всего его устанавливают в вертолеты, и даже на современные танки.

Двухпоршневой и малоразмерный двигатель

Наиболее распространен двигатель с двумя валами, оборудованный теплообменником. В сравнении с агрегатами, у которых всего 1 вал, такие аппараты более эффективные и мощные. 2-х вальный двигатель оснащен турбинами, одна из которых предназначена для привода компрессора, а другая для привода осей.

Газотурбинные двигатели температура газа

Подобный агрегат обеспечивает машине хорошие динамические характеристики и сокращает кол-во скоростей в трансмиссии.

Также существуют малоразмерные газотурбинные двигатели. Они состоят из компрессора, газо-воздушного теплообменника, камеры сгорания и двух турбин, одна из которых находятся в одном корпусе со сборником газа.

Малоразмерные газотурбинные двигатели применяются в основном на самолетах и вертолетах, которые преодолевают большие расстояние, а также на беспилотных летательных устройств и ВСУ.

Агрегат со свободно поршневым генератором

На сегодняшний день аппараты этого типа являются наиболее перспективными для авто. Устройство движка представлено блоком, который соединяет поршневой компрессор и 2-х тактовый дизель. В середине находится цилиндр с наличием двух поршней объединенных друг с другом с помощью специального приспособления.

Работа движка начинается с того, что воздух сжимается во время схождения поршней и происходит возгорание горючего.

Газы образуются за счет сгоревшей смеси, они способствуют расхождению поршней при повышенной температуре. Затем газы оказываются в газо-сборнике.

За счет продувочных щелей в цилиндр попадает пережатый воздух, помогающий очистить агрегат от отработанных газов. Затем цикл начинается заново.

ПД-14. О температуре газа перед турбиной или Лопатка — наукоемко и сложно

Технологические решения, реализованные в авиационном двигателе ПД-14, стали основой для целого семейство авиационных двигателей.

Мы уже писали о том, что разработанные для этого двигателя лопатки, по задумке инженеров, будут служить гораздо дольше всех своих предшественников.

Стоит заметить, что налаженное производство литых охлаждаемых лопаток – показывает высокий уровень развития науки и технологий страны. Почему? Попробуем разобраться.

Во время работы двигателя внутри турбины температура невероятно высока, огненная струя, вылетающая из реактивного сопла, наглядное тому подтверждение. На входе в турбину еще жарче, и чем горячее газ перед ней, тем мощнее и экономичнее работает двигатель.

Газотурбинные двигатели температура газа

Температура газов перед турбиной, °C

Одним из важнейших параметров термодинамического цикла авиационных ГТД является температура газа перед турбиной. Ее повышение является главной тенденцией в совершенствовании рабочего процесса авиационных ГТД. Темп ее роста связан с развитием материаловедения и технологии, исследованиям в области газовой динамики и теории теплообмена с разработкой системы воздушного охлаждения лопаток.

Именно лопатки должны выдерживать высокие центробежные нагрузки, не деформируясь и не «сползая» со временем.

Ползучесть недопустима, поскольку зазор между наконечниками лопаток и каналом, внутри которого они поворачиваются, должен быть минимальным по причинам эффективности работы, а любое перемещение наконечника наружу приведет к катастрофическому контакту.

Лезвия лопаток также сталкиваются с дождем, градом, льдом, повторяющимися термоциклами в диапазоне высоких температур, обледенением, посторонними предметами и воздействием химических веществ, находящихся в воздухе

Возможность увеличения работы цикла благодаря повышению температуры газа перед турбиной позволяет повысить второй с важнейших параметр термодинамического цикла авиационных ГТД – степень повышение полного давления в компрессоре.

Газотурбинные двигатели температура газа

Изменение температуры газа перед турбиной ГТД по годам

Целесообразность увеличения степени повышения давления определяется не только возможностью увеличить работу цикла, обеспечить наибольший удельный тягу и маленькие удельные расходы топлива, но и, в первую очередь, увеличением КПД лопаточных машин. Простое увеличение параметров цикла, без соответствующего роста КПД компрессора и турбины, не позволяет получить улучшение качества авиационного ГТД, соответствующего следующему поколению.

Мы живем в период «смены поколений двигателей». Сложная конструкция внутренней полости охлаждаемой лопатки в моторах прошлого поколения приводила к их термоусталостному разрушению при наработке только 30% ресурса.

Читайте также:  Внешняя скоростная характеристика двигателя внутреннего сгорания

Фактически, переход в следующее поколение обеспечивается существенным ростом КПД лопаточных машин одновременно с ростом температуры газа перед турбиной.

Газотурбинные двигатели температура газа

Лопатка турбины ПД-14

Для российского двигателя ПД-14 были разработаны монокристаллические лопатки турбины высокого давления с перспективной системой охлаждения, позволяющая турбине работать при температуре до 2000 К (1726,85°C). Пустотелая широкохордная лопатки изготовленв из легчайшего сплава — интерметаллида титана. Результат: КПД вентиляторной ступени удалось повысить на 5%

Лопатка двигателя ПД-14 – ключевая деталь турбины, непосредственно принимающая на себя высокое давление газа или продуктов сгорания. При малейшем отклонение от заданных параметров как по геометрии, так и по характеристикам применяемого сплава, происходит снижение КПД всей турбины.

Изолированная лопатка прошла весь необходимый цикл испытаний, прежде чем встать на двигатель. Опытные образцы жестко тестировали. Их ломали, рвали, трясли…

Газотурбинные двигатели температура газа

Жаровая труба. Для процесса воспламенения топливо-воздушной смеси и горения

Это не первая и не последняя статья, рассказывающая  о новых двигателях семейства ПД. Авиастроение сегодня, как один из самых высокотехнологичных секторов, испытывает серьезные трансформации.

Это обусловлено, прежде всего, глубокими и быстрыми изменениями мировой экономики и новой природой конкуренции. И именно ПД-14 вывел отрасль на новый уровень. Годы работы институтов, предприятий привели к серьезному прорыву: создана конструкция и технология новой лопатки.

Да и в целом, проект ПД-14 сохранил для России более 10 000 высококвалифицированных рабочих мест.

Газотурбинные двигатели температура газа

Сложная система вентиляции позволяет лопатке работать при температуре превышающей ее температуру плавления.

Газотурбинный двигатель

Газотурбинные двигатели температура газа Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1] 19108 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:
Газотурбинные двигатели температура газа
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
  • η
  • ge

в турбину на КПД газотурбинного двигателя и его удельный расход топлива .

Газотурбинные двигатели температура газа

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:
Газотурбинные двигатели температура газа
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.

Автомобильные газотурбинные двигатели

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.

Газотурбинные двигатели температура газа

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.

Газотурбинные двигатели температура газа

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.

Газотурбинные двигатели температура газа

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 принцип работы

  • Газотурбинный двигатель – это то, что в последнее время используется как энергетическая установка для машины.
  • И это связано не только с несомненными преимуществами данного агрегата.
  • Газотурбинный двигатель способен развить мощность, которая просто необходима некоторым автомобилям.

Конструкция

Благодаря тому, что у этого агрегата отсутствуют возвратно-поступательно двигающиеся части, а также тому, что его ротор обладает высокой частотой вращений, можно существенно уменьшить габаритные размеры и удельную массу этого двигателя (если сравнивать с дизелем).

А это, в свою очередь, позволяет рассмотреть его как перспективный агрегат. Итак, чтобы создать газотурбинный двигатель своими руками (данным процессом интересуются многие – это реально, однако весьма трудно), нужно иметь турбины, камеру сгорания и компрессор.

Также в его комплектацию входят стартер, масляный насос, регулятор частоты вращений и другое оборудование. Как правило, в автомобильных двигателях газотурбинного типа применяется центробежный одноступенчатый компрессор, при помощи которого давление воздуха увеличивается в 3,5 раза.

Чтобы достичь указанного давления, нужно, чтобы компрессорное колесо вращалось с как можно большей скоростью. А она составляет около 420-450 метров в секунду.

Материалы

Для изготовления камеры сгорания чаще всего используется листовой жаростойкий материал. Газотурбинный двигатель в своей комплектации имеет осевую и центростремительную турбины. Они же состоят из рабочего колеса и соплового аппарата. Газ в осевой турбине, проходя по каналам, которые находятся в рабочем колесе, изменяет направление своего движения. При этом оказывается давление на лопатки. Благодаря этому образуется  сила, которая приводит во вращение рабочее колесо.

Газотурбинный двигатель: принцип работы устройства

Компрессорный вал при помощи стартера приводится в движение. Пусковая частота вращения составляет 2530% от номинальной. Сжатый воздух подается компрессором в камеру сгорания, а в неё через форсунку нагнетается топливо с помощью шестеренчатого насоса.

После этого посредством электрической свечи накаливания поджигается горючее. И как только устойчивая зона горения образована, последующее горючее воспламеняется от соприкосновения с огнем, а отработанные газы затем уходят в атмосферу через выпускную трубу.

Отличительные свойства

Хочется отметить, что газотурбинный двигатель обладает еще и высочайшими пусковыми качествами. Несмотря на то, что его стартер имеет достаточно небольшую производительность, он может обеспечить пуск при абсолютно любой температуре внешней среды. Это очень хорошее качество.

И еще одно его существенное преимущество – достаточно малая токсичность газов, которые отрабатываются двигателем: она в 37 раз меньше тех, которые извергает дизель. Из этого можно сделать вывод, что такой двигатель еще и безопасен для окружающей среды.

Принцип работы газотурбинного двигателя

Газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой разновидность теплового двигателя, в конструкции которого имеются лопаточные машины. Особенностью работы является то, что превращение энергии горящего топлива в механическую работу происходит в нем непрерывно.

  1. В ГТД составные части рабочего цикла, включающего сжатие воздуха, отвод теплоты к рабочему телу и расширение, разобщены между собой и протекают в разных местах.
  2. Газотурбинный двигатель может быть использован в качестве теплового двигателя на газотурбовозах и самолетах.
  3. Газотурбинный двигатель может работать на любом виде и сорте топлива (жидкое, твердое и газообразное).
  4. На сегодняшний день известно много конструкций и схем ГТД, отличающихся друг от друга следующими параметрами:
  5. • условиями сжигания топлива — с внутренним и внешним сжиганием;
  6. • использованием рабочего тела в круговом процессе — разомкнутые и замкнутые системы;
  7. • количеством валов — одновальные, двух- и многовальные.

Рис. 2. Принципиальная схема одновального газотурбинного двигателя:

1 — корпус газовой турбины; 2 — рабочее колесо газовой турбины; 3 — топливный насос; 4 — свободный вал; 5— воздушный компрессор; 6 — воздухозаборное устройство воздушного компрессора; 7— электрическая свеча зажигания; 8— камера сгорания; 9 — направляющий аппарат; 10 — газоотвод; II — потребитель мощности; 12 — пусковой двигатель

В установках СПГГ обычно используется низкосортное топливо. Турбина работает на газе с относительно невысокой температурой (500… 600 °С), поэтому для изготовления лопаток может быть использован менее жаропрочный материал. КПД таких установок достигает 35 %, однако они имеют увеличенную массу и габариты по сравнению с дизелями с газотурбинным наддувом.

Экономичность работы ГГД можно улучшить за счет повышения температуры газов перед турбиной, использования многовальных систем, применения регенерации и утилизации теплоты уходящих газов (например, для отопления и кондиционирования воздуха в вагонах), применения промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и промежуточного подвода теплоты к газу при его расширении. Обеспечение этих мероприятий требует применения жаропрочных сталей для лопаток турбины, использования металлокерамических материалов, воздушного охлаждения части турбины. При этом КГТД действующих установок повышается до 33… 40 %.

Существуют проектные разработки и попытки создания локомотивных газотурбинных двигателей на твердом или пылевидном топливе.

Газотурбинная установка компактна, обладает малой массой на единицу мощности, не содержит деталей с возвратно-поступательным движением, которое приводит к более быстрому износу двигателя, отличается малыми затратами на содержание оборудования.

Она может работать без потребления воды, в ней легко полная автоматизация процессов, имеется реальная возможность для сжигания в камере сгорания различных видов топлива, а также имеет относительно постоянный вращающий момент на валу отбора мощности.

Особенность ГТД, применяемых в авиации, является то, что энергия сгорания топлива преобразуется в энергию истечения газов, которые с большой скоростью через выпускную систему ГТД выбрасываются в атмосферу.

Тяга при работе этих двигателей возникает за счет разности количеств движения (произведения массы на скорость), выходящего из выпускной системы газовоздушного потока и входящего в приемное устройство ГТД воздуха.

Тяга направлена при этом в сторону, противоположную направлению истечения газов, т. е. является реактивной. Нетрудно представить себе, что для увеличения тяги реактивного двигателя необходимо увеличить разность количеств движения, т. е.

на выходе из ГТД произведение массы на скорость должно значительно превышать такую же величину на входе. Решению этой задачи служат все элементы конструкции ГТД.

Существуют три типа газотурбинных двигателей: турбореактивные, турбореактивные двухконтурные и турбовинтовые. Рассмотрим принцип работы каждого типа двигателя.

Сфера использования газотурбинных двигателей

На сегодняшний день существует несколько различных видов двигателей, которые отличаются друг от друга по принципу работы. Один из них — газотурбинный двигатель. Он создан таким образом, что, переняв все ключевые достоинства бензиновых и дизельных поршневых двигателей, получил ряд неоспоримых преимуществ.

Газотурбинный двигатель, принцип работы которого заключается в проведении топлива через ряд турбинных лопастей, приводит их в движение с помощью расширяющегося газа. Он относится к моделям внутреннего сгорания.

Газотурбинные двигатели делятся на одно- и двухвальные. Их КПД прямо пропорционален температуре сгорания топлива. Самые элементарные модели  — одновальные, имеющие единственную турбину.

Двухвальные не только сложнее в устройстве, но и способны выдерживать большие нагрузки.

Как правило, газотурбинные двигатели используются в грузовых автомобилях, кораблях и локомотивах. Производятся опыты по разработке таких механизмов для легковых автомобилей.

В настоящее время существует большое количество моделей таких двигателей, многие из которых значительно превосходят своих предшественников большей производительностью, меньшими размерами, габаритами и весом.

Также газотурбинный двигатель является более безопасным и нейтральным для окружающей среды. Он производит меньше шума и вибрации, а также расходует намного меньше топлива.

Это основные преимущества, которыми обладает газотурбинный двигатель.

Именно газотурбинные механизмы подарили человечеству множество современных возможностей. Без них не существовали бы трансконтинентальные перекачки газа и перелеты больших авиалайнеров на большие расстояния.

Газотурбинный двигатель способен вырабатывать огромное количество энергии с минимальными затратами топливных ресурсов.

Он представляет собой самую сложную технологическую конструкцию среди всех, что были разработаны за прошедший век.

Итак, газотурбинный двигатель являет собой одно из самых грандиозных открытий двадцатого века, благодаря которому человечество получило колоссальные возможности для совершенствования технологий.

Особенно ценным вкладом данной разработки становится то, что она позволяет экономить топливные ресурсы и практически не несет вреда окружающей среде, что крайне важно в наше время глобальных экологических кризисов.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector