Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 50 - газотурбинные двигатели

Газотурбинные двигатели

Бурное развитие авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в 40-х годах способствовало развертыванию работ по созданию судовых, локомотивных и автомобильных двигателей. В настоящее время применение ГТД в автотракторном транспорте ограничено большегрузными карьерными самосвалами. Основные преимущества ГТД:

1. Меньшая удельная масса и габариты по сравнению с ДВС.

2. Возможность использования различных жидких и газообразных топлив.

3. Большая мощность в одном агрегате.

4. Лучшие, чем у ДВС, пусковые характеристики, особенно при низких температурах окружающей среды.

5. Значительно меньшая токсичность отработавших газов. Считают, что ГТД выделяет вредных веществ в 3-4 раза меньше, чем дизель и в 5-6 раз меньше, чем карбюраторный двигатель.

К недостаткам, сдерживающим применение ГТД, следует отнести меньшую экономичность, более высокую стоимость по сравнению с ДВС. По мере совершенствования ГТД область их применения будет расширяться.

Преимущества автомобильных ГТД особенно ярко проявляются в автомобилях большой грузоподъемности и автопоездах с двигателями большой мощности, а также при эксплуатации автомобилей в условиях низких температур окружающей среды.

Начало разработки автомобильных ГТД относится к середине 40-х годов. С тех пор накоплен определенный опыт конструирования таких двигателей, значительно повышены параметры цикла и улучшены их удельные энергетические и экономические показатели.

Простейшей схемой ГТД является одновальная схема. К основным его элементам относятся компрессор, камера сгорания и турбина. Степень повышения давления воздуха в компрессоре существенно влияет на мощностные и экономические показатели двигателя. Известно, что с ростом максимальной температуры газа оптимальное значение _к, при котором достигаются наилучшие эффективные показатели двигателя, повышается. В большинстве современных автомобильных ГТД применяется одноступенчатый центробежный компрессор, у которого _к составляет 4-5. Некоторые двигатели имеют более высокие значения _к (до 16), которые обеспечиваются в осецентробежном или двухступенчатом центробежном компрессоре.

При пуске двигателя с помощью электростартера частота вращения вала компрессора увеличивается до пусковой частоты, и впрыскиваемое топливо воспламеняется от одной или нескольких электрических свечей. После пуска двигателя свечи выключаются, но в камере сгорания продолжается непрерывное устойчивое горение.

В зону горения подается не весь воздух, поступающий из компрессора, а только часть его, так называемый первичный воздух, который обеспечивает сгорание топлива при коэффициенте избытка воздуха  = 1,0-1,5. Температура газа в этой зоне достигает более 2000К. При такой температуре из-за недостаточной жаропрочности лопаток турбина оказывается неработоспособной. Поэтому в жаровую трубу за зоной горения приходится дополнительно подавать избыточный (вторичный) воздух. После смешения продуктов сгорания с вторичным воздухом температура газа на выходе из камеры сгорания снижается до Т₃, при которой обеспечивается нормальная работа турбины. С учетом вторичного воздуха коэффициент избытка воздуха составляет 3,5-4.

В ГТД с неохлаждаемыми рабочими лопатками турбины величина Т₃; не превышает 1300-1350К. Для повышения Т₃, от которой значительно зависят удельные энергетические и экономические показатели двигателя, применяют охлаждение лопаток воздухом, отбираемым от компрессора. Однако в двигателях невысокой мощности и малых размеров этот способ не применяется из-за трудности охлаждения лопаток малой длины.

При расширении в турбине газ совершает работу, часть которой затрачивается на привод компрессора, а остальная часть (эффективная работа) используется потребителем.

В одновальном ГТД вследствие жесткой связи турбины с компрессором с понижением частоты вращения вала при возрастании внешней нагрузки уменьшается количество воздуха, поступающего в камеру сгорания. Поэтому, чтобы предотвратить превышение максимально допустимой температуры Т₃, необходимо уменьшать подачу топлива. В результате этого крутящий момент двигателя понижается. Такое изменение крутящего момента по частоте вращения принципиально непригодно для транспортной машины со ступенчатой механической трансмиссией. Одновальный ГТД в транспортных машинах можно использовать с бесступенчатой механической, электрической, гидрообъемной трансмиссиями или с гидромуфтой.

В двухвальном ГТД газ после камеры сгорания последовательно расширяется вначале в турбине привода компрессора, а затем в силовой турбине. Компрессор и его турбина, соединенные валом, образуют турбокомпрессор. Вся работа, совершаемая в турбине, затрачивается на привод компрессора и части агрегатов, установленных на двигателе: топливного насоса-регулятора, масляного насоса, насоса гидроусилителя рулевого привода и других вспомогательных агрегатов.

Силовая турбина не имеет механической связи с турбокомпрессором, максимальная частота ее вращения достигает 20000 - 30000 об/мин. Мощность турбины через понижающий редуктор двигателя и трансмиссию передается на привод ведущих колес автомобиля. В двигателе со свободной силовой турбиной с возрастанием внешней нагрузки частота вращения турбокомпрессора остается практически неизменной, а частота вращения силовой турбины уменьшается. Крутящий момент при этом возрастает примерно линейно, достигая максимального значения при полностью остановленной силовой турбине. Отношение максимального крутящего момента к моменту при максимальной частоте вращения силовой турбины (т. е. коэффициент приспособляемости ГТД) равно 2,5 - 3,0.

Турбина компрессора может быть как осевой, так и центростремительной, а силовая турбина - осевой. Почти во всех современных ГТД силовая турбина выполняется с регулируемым сопловым аппаратом (РСА), т.е. с поворотными лопатками соплового аппарата. С помощью РСА возможно торможение автомобиля двигателем, улучшение экономичности на режиме частичных нагрузок и повышение приемистости двигателя.

Для торможения автомобиля двигателем лопатки РСА поворачиваются таким образом, чтобы направить газ навстречу вращающимся лопаткам рабочего колеса и тем самым затормозить его вращение. Улучшение экономичности АГТД на режиме частичных нагрузок достигается прикрытием РСА, т.е. уменьшением проходного сечения соплового аппарата, что повышает температуру газа и, как следствие, экономичность двигателя.

При резком увеличении частоты вращения вала лопатки РСА ставятся в положение, при котором площадь проходного сечения увеличивается. Это понижает давление газа за турбиной привода компрессора и способствует разгону турбокомпрессора. В конце разгона турбокомпрессора лопатки РСА возвращаются в исходное положение.

Одним из эффективных путей повышения экономичности ГТД является применение теплообменника, в котором выходящие из силовой турбины газы подогревают воздух, поступающий из компрессора (регенерация тепла). Однако в современных ГТД с высокими значениями _к регенерация принципиально невозможна.

Возможности применения двигателей Стирлинга в автомобильном транспорте

Двигатель Стирлинга - тепловая машина, работающая по замкнутому термодинамическому циклу, в котором изотермические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление переносом рабочего тела в рабочих полостях, осуществляется путем изменения его объема. Цикл Стирлинга в значительно большей степени, чем циклы ДВС, ГТУ приближен к идеальному циклу тепловой машины - циклу Карно. Важной их особенностью является глубокая регенерация теплоты, позволившая создать реальные двигатели различного назначения.

Основным достоинством двигателей является высокий КПД, который для опытных двигателей Стирлинга достиг КПД лучших дизелей. В качестве рабочего тела в цикле используют газы, обладающие высокими значениями теплоемкости и теплопроводности (водород, гелий и др.). Наиболее эффективен водород, однако его применение сдерживается диффузией водорода в металлах при высоких температурах и давлениях, поэтому чаще используется гелий. Возможно применение воздуха как наиболее дешевого рабочего тела, хотя и с несколько меньшими значениями КПД.

Интерес к двигателям непрерывно возрастает в связи с низким загрязнением окружающей среды этими двигателями. Двигатель Стирлинга работает практически на любых видах топлива и от любых источников теплоты. При сжигании органических топлив процесс сгорания в двигателе удается организовать с гораздо большей полнотой, чем в ДВС и ГТУ. Поэтому даже при использовании традиционных для транспорта нефтепродуктов вредных выбросов в атмосферу гораздо меньше, чем у ДВС. Другим важным преимуществом двигателей Стирлинга следует считать низкий уровень шума при работе вследствие полной уравновешенности механизма и отсутствия выхлопа газов под давлением. К достоинствам можно отнести возрастание крутящего момента с уменьшением частоты вращения, простота пуска, что весьма важно для автомобилей. Число современных конструкций двигателей велико, однако наиболее распространены многоцилиндровые (4-9 цилиндров) двигатели с ромбическим механизмом привода, а также машины двойного действия. Испытывались также двигатели с наклонной (косой) шайбой и некоторые другие.

В США опытная эксплуатация двигателей Стирлинга осуществлялась на легковых автомобилях, автобусах, катерах, мощность этих двигателей составляла 30-125кВт. Двигатели зарекомендовали себя, как весьма экономичные, удобные в эксплуатации. Испытывались также системы с тепловыми аккумуляторами. К недостаткам двигателей Стирлинга, сдерживающим их распространение, относят более высокую стоимость по сравнению с ДВС, однако по мере совершенствования конструкций и технологии производства следует ожидать снижения стоимости. Борьба за чистоту окружающей среды, особенно в крупных городах, несомненно, усилит тенденцию к большему распространению этих двигателей на транспорте, в первую очередь автомобильном.

Р ис.33.1. Автомобильный четырехцилиндровый двигатель Стирлинга с ромбическим механизмом привода. Эффективная мощность 165 кВт при 3000 об/мин. Рабочее тело – гелий при среднем давлении 22 МПа.