Рубрика: ДВИГАТЕЛЬ
- Отличительные черты
- Газотурбинный двигатель принцип работы
- Устройство газотурбинного двигателя
- «Минус» и «плюс» мотора
- Виды газотурбинных двигателей
Сегодня среднестатистический обыватель знаком с устройством и принципом работы мотора внутреннего сгорания, а вот газотурбинный двигатель, приводит пользователя в тупик. Тем не менее принцип действия турбинного агрегата намного проще поршневого мотора. Из-за особенностей эксплуатации, первый нашёл применение в авиации, второй установлен на 90% штатных автомобилей.
По классификации, силовая установка относится к тепловым устройствам, поскольку трансформирует выделившийся напор от горения в работу механики. В противовес агрегату с поршнями, проходящее преобразование течёт в непрерывной газовой струе, а это влияет на конструкцию и эксплуатацию. Попытки установить газотурбинный мотор на машины предпринимаются постоянно, однако массового развития идея не получила.
Газотурбинный двигатель:
Отличительные черты
Как уже говорилось раньше, предпринимались попытки использовать газотурбинный двигатель для автомобиля, однако дальше испытаний дело не пошло. Единственная отрасль, в которой агрегат нашёл применение — авиация.
Если сравнивать газотурбинный мотор с иными силовыми установками, то у первого изделия значение вырабатываемой мощи по отношению к массе больше. Так же плюс в используемом топливе, доведённый до мелкодисперсного состояния, ассортимент воображает, главный вид — керосин и дизель. Но возможно применение: бензина, газа, спирта, мазута, угольной пыли и т.п.
Агрегат с поршнями и газотурбинная установка, это моторы, работающие на основе тепла, преобразующие энергию, выделившуюся при горении в работу механики. Разница между устройствами заключается в течение процесса. В обоих моторах происходит забор и воздушное сдавливание, после чего подаётся порция горючего, затем субстанция горит, увеличивается и сбрасывается атмосферную среду.
В поршневых установках описанные действия происходят в одной точке — камере сгорания, при этом соблюдается очерёдность действий. Для газотурбинного двигателя характерно протекание действий в нескольких частях механизма одновременно.
Что бы понять, как работает газотурбинный двигатель, разделяют этапы протекания процессов, которые в сумме составляют преобразование топлива в работу:
- Подведение горючего и образование смеси.
За счёт прохождения атмосферного воздуха через компрессорное колесо, смесь сжимается в объёме, увеличивая напор, до сорока раз. После происходит перетекание воздуха в горящий объём, куда подаётся и топливо. Перемешиваясь с воздушной массой и сгорая, смесь энергетически преобразуется.
- Энергетическое рабочее преобразование.
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.
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.
Газотурбинный двигатель принцип работы
Смысл двигателестроения, достижение повышенного значения полезного коэффициента. В нашем случае, требуемые результаты, напрямую связаны с горением смеси и при этом обширном выделении тепла. Это не так просто, как кажется, основополагающее препятствие — материал изделия, которому сложно выдержать температуру и напор. По этой причине, проведено много расчётов, направленных на снятие тепла с турбины и применение в ином русле. Усилия не пропали даром, повторное использование энергии стало возможным и нагревало сжатые воздушные массы перед горением, а не терялось зря. Без таких устройств «теплообменников» достичь значений полезного действия было бы не возможно.
Для достижения повышенных показателей мощи, турбинные лопатки раскручивают до как можно больших показателей. Скорость вращения обусловлена напором выходящих газов. Чем меньше размер установки, тем выше частота оборотов, поскольку только так достигается стабильность работы.
Газотурбинный двигатель Т 80:
Турбовинтовые двигатели
Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. И работает он почти как турбореактивный. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. К ним добавляются редуктор и винт.
Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Винт создаёт основную долю тяги. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. И винт достаточно тяжелый.
Схематичная конструкция ТВД
Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной. Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. Такая турбина называется свободной. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.
Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной
Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны. Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.
На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать. Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя.
«Минус» и «плюс» мотора
Газотурбинный агрегат способен вырабатывать большой момент, а значит повышенные показатели мощности. Для охлаждения сопутствующих элементов нет каких-либо устройств, поскольку соприкасающихся поверхностей мало. В то же время, подшипников используется не много, а качество деталей свидетельствует о надёжности и безотказности агрегата.
Отрицательный аспект, это дороговизна используемых материалов при изготовлении деталей и, как следствие, немалые вложения в починку механизма. Несмотря на недостатки, конструкция постоянно дорабатывается и совершенствуется.
Газотурбинный двигатель используют в авиации, на автомобилях установку применяют как эксперимент. Это произошло по причине постоянной потребности в охлаждении газов, поступающих на лопатки турбины. Это снижает полезное действие агрегата, увеличивая потребление горючего.
Главные преимущества мотора:
- Пониженная степень загрязнения выхлопных газов;
- Починка простая и лёгкая (не содержит расходных материалов);
- Отсутствие вибрации;
- Пониженный шум при эксплуатации агрегата;
- Повышенные характеристики импульса;
- Включение и отклик на педаль акселератора без задержек;
- Повышено соотношение мощности и веса.
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.
Автомобили тоже летают. только низенько-низенько
В издании «85 лет НАМИ», вышедшем в прошлом году, на с. 280 встречается и другое обозначение НАМИ-О53 – ТурбоНАМИ-127. Как оказалось, испытания конструкций АГТД НАМИ, апробированные на автобусах ЗИЛ-127 проводили на автобусах и в последующие годы. В 1978 году на ХХ Международной выставке-ярмарке в Брно (ЧССР) был представлен турбоэлектробус с ГТД НАМИ-0183. Еще через два года был испытан ГТД НАМИ-2Э0163 на автобусе Ikarus-255 с механической КП Autokut. Самый свежий пример использования газовой турбины относится к прошлому году на турбобусе «Тролза-5250» («ГП» № 10, 2008 г., «ГП» № 10, 2008 г.).
Но автобусами дело не ограничивалось. В период 1960–1965 гг. на грузовиках КрАЗ испытывались двигатели НАМИ-О51. Малые АГТД применялись в рекордных автомобилях, для обеспечения энергетики ствольных и ракетных комплексов на установках ПВО «Шилка», «Енисей», «Круг» и «Куб».
Даже не смотря на то, что подавляющее большинство современных автомобилей оснащены именно поршневыми четырехтактными двигателями, история знает примеры попыток установки газотурбинных энергетических установок на стандартное шасси грузовиков или даже легковых авто. Так почему же идея не прижилась и самое главное – как устроен газотурбинный двигатель?
Первое и главное отличие газотурбинного
двигателя от
поршневого
заключается в отсутствии цикличности. К примеру, известно, что поршневые моторы бывают двухтактными или четырехтактными и как следствие рабочий ход у них все равно будет один. Как итог, остальные такты не прибавляют мощности, но делают процесс более энергетически эффективным. В газотурбинном двигателе сжатие топливной смеси, сгорание и выделение энергии происходит каждую секунду. Следовательно, подобная конструкционная особенность предполагает увеличение мощности в 2, а то и в 4 раза больше по сравнению с поршневым мотором.
Главным рабочим органом газотурбинного двигателя являются лопатки. Их форма создана с таким расчетом, дабы обеспечить максимальный КПД всей установки. Изначально воздух сжимается при помощи лопастного компрессора, далее подается в рабочую зону, где впрыскивается топливо, ну а после расширяющиеся газы давят на следующие лопатки и приводят вал во вращение.
Если посмотреть на внутренности газотурбинного двигателя, то мы увидим в нем два ряда лопаток – одни неподвижные, закреплены на корпус, – другие наоборот способны вращается, так как соединены с валом. Такая конструкция объясняется тем, что для получения энергии, газу все равно нужно на что-то опереться, а в данном случае в качестве опоры вsступают как раз те самые неподвижные лопатки корпуса.
Об устройстве ГТД
Что насчёт его устройства, то здесь все не так и сложно, как себе можно представить. Газотурбинники состоят из камеры сгорания, где также расположены форсунка и свечи зажигания, для подачи топлива и в камере сгорания получения искры. Турбинное колесо обладает специальными лопатками, и установлено с компрессором на одном валу. Конструкция устройства такого мотора также состоит из: понижающего редуктора, теплообменника, выпускного трубопровода, впускного канала, а также диффузора и сопла.
Когда вращается вал компрессора, то его лопастями захватывается воздух, который и поступает во впускной канал. Как компрессором увеличивается скорость движения воздуха до скорости 500 метров в секунду, он его нагнетает в диффузор. Хотя и скорость воздуха на выходе диффузора уменьшается, однако заодно и повышается его давление. Воздух после диффузора поступает в теплообменник, там он нагревается под воздействием тепла отработанных газов и попадает в камеру сгорания. Кроме воздуха, который уже подогрет и сжат, в камеру сгорания непрерывно подается топливо, предварительно распыляясь, с помощью форсунок. Топливо там смешивается с воздухом, там образуется топливная смесь, далее идёт процесс воспламенения этой смеси, с помощью искры, которая производится свечами. В результате этого сгорания, повышается в камере давление, через сопло нагретые газы проходят и направляются в сторону лопаток турбинного колёса, которое и начинает своё движение. Через понижающий редуктор крутящий момент от турбинного колеса передается на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы попадают в теплообменник, где помогают подогревать уже поступивший сжатый воздух и наконец, выходят в атмосферу. Конечно, у ГТД есть куча плюсов, но есть и минусы. Основным из них считается стоимость теплопрочных материалов, с применением которых производится двигатель. Кроме этого сложность работ и необходимая высокая уровень очистки воздуха, который поступает в мотор, также бьют по карману хорошо, однако, не взирая ни на что, и разработка и усовершенствование ГТД уже вовсю проходят не только в нашей стране, но и за границей. Когда-то у них был большой минус – огромная турбояма – то есть, например, у Крайслера Турбайн образца 1963 года! То есть, несмотря на огромную тягу в 576 Н*м, он ждал целых десять секунд, прежде чем начать разгон!!! На такое не в состоянии даже модели у которых тандем из откровенно «тупого» автомата и «провального» турбомотора (с большой «турбоямой»). Но позже крайслеровцы и другие инженеры это доработали, и уже вместо десяти секунд мотор «думал» секунд три. Были помимо Крайслера, такие марки с моделями с ГТД под капотом, как Ровер, Лотус и другие.
