Газотурбинные двигатели

Рис. 4. Принципиальная схема газотурбинного двигателя со свободно-поршневым генератором газа

Энергия от поршней дизеля передается непосредственно поршням компрессора. Ввиду того, что движение поршневых групп осуществляется исключительно под действием давления газов и режим движения зависит только от протекания термодинамических процессов в дизельном и компрессорных цилиндрах, такой агрегат и называется свободно-поршневым. В его средней части расположен открытый с двух сторон цилиндр 4, имеющий прямоточную щелевую продувку, в котором протекает двухтактный рабочий процесс с воспламенением от сжатия. В цилиндре оппо-зитно перемещаются два поршня, один из которых 9 во время рабочего хода открывает, а во время возвратного хода закрывает выхлопные окна, прорезанные в стенках цилиндра. Другой поршень 3 также открывает и закрывает продувочные окна. Поршни связаны между собой легким реечным или рычажным синхронизирующим механизмом, не показанным на схеме. Когда они сближаются, воздух, заключенный между ними, сжимается; к моменту достижения мертвой точки температура сжимаемого воздуха становится достаточной для воспламенения топлива, которое впрыскивается через форсунку 5. В результате сгорания топлива образуются газы, обладающие высокой температурой и давлением; они заставляют поршни разойтись в стороны, при этом поршень 9 открывает выхлопные окна, через которые газы устремляются в газосборник 7. Затем открываются продувочные окна, через которые в цилиндр 4 поступает сжатый воздух, находящийся в ресивере 6. Воздух вытесняет из цилиндра выхлопные газы, смешивается с ними и также поступает в газосборник. За то время, пока продувочные окна остаются открытыми, сжатый воздух успевает очистить цилиндр от выхлопных газов и заполнить его, подготовив таким образом двигатель к следующему рабочему ходу.

С поршнями 3 и 9 связаны компрессорные поршни 2, двигающиеся в своих цилиндрах. При расходящемся ходе поршней идет всасывание воздуха из атмосферы в компрессорные цилиндры, при этом самодействующие впускные клапана 10 открыты, а выпускные 11 закрыты. При встречном ходе поршней впускные клапана закрыты, а выпускные открыты и через них воздух нагнетается в ресивер 6, окружающий дизельный цилиндр. Поршни двигаются навстречу друг другу за счет энергии воздуха, накопившейся в буферных полостях 1 во время предыдущего рабочего хода. Газы из сборника 7 поступают в тяговую турбину 8, вал которой соединен с трансмиссией.

Таким образом, к.п.д. лучших образцов турбин не уступает к.п.д. дизелей. Не случайно поэтому количество экспериментальных газотурбинных автомобилей различного типа возрастает с каждым годом. Все новые фирмы в различных странах объявляют о своих работах в этой области.

Значительных успехов в создании газотурбинных двигателей добилась, пожалуй, американская фирма Дженерал Моторс Компани, ведущая экспериментальные работы с газотурбинным двигателем ХР-21, который был испытан на гоночном автомобиле «Огненная птица» и многоместном междугородном автобусе. Схема этого двухкамерного двигателя, не имеющего теплообменника, представлена на рис. 5.

Рис.5. Схема газотурбинного двигателя ХР-21

Его эффективная мощность составляет 370 л.с. Топливом для него служит керосин. Скорость вращения вала компрессора достигает 26 000 об/мин, а скорость вращения вала тяговой турбины от 0 до 13000 об/мин. Температура газов, поступающих на лопатки турбины, равна 815°C, давление воздуха на выходе из компрессора — 3,5 ат. Общий вес силовой установки, предназначенной для гоночного автомобиля, составляет 351 кг, причем газопроизводящая часть весит 154 кг, а тяговая часть с коробкой передач и передачей на ведущие колеса — 197 кг.

Автомобиль «Огненная птица» с этим двигателем развивает скорость выше 320 км/час. Его полный вес равен 1270 кг. Расход топлива на максимальной скорости составляет 189,3 л/час, или 59 л на 100 км. Двигатель расположен в задней части автомобиля; привод осуществляется на задние колеса. Отработавшие в двигателе газы выходят в атмосферу через реактивное сопло, в результате чего создается дополнительное тяговое усилие.

3. Используемые ГСМ

В качестве топлива для ГТД ГПА в основном используется природный газ, отбираемый из транспортных газопроводов. Состав и характеристики топливного газа регламентируются отраслевым стандартом. При проектировании ГТД, особенно деталей камеры сгорания, лопаток и дисков турбины, следует учитывать, что в состав природного газа входят сероводород и меркаптановая сера. Эти компоненты газа при высоких температурах вызывают оксидно-сернистую коррозию деталей. Повышенным содержанием сероводорода отличается природный газ, откачиваемый из подземных хранилищ газа. В некоторых случаях в качестве топлива могут использоваться попутные нефтяные газы.

Транспортируемый газ, используемый в качестве топлива, проходит на компрессорных станциях через специальные блоки подготовки. В этих блоках газ доводится до требований стандарта по чистоте, содержанию влаги и температуре.

Во многих случаях транспортируемый природный газ используется и в качестве рабочего тела для турбостартеров двигателя - так называемый пусковой газ. Пусковой газ также подается к стартеру двигателя из блоков подготовки газа компрессорной станции.

В системах смазки ГТД для ГПА используются минеральные масла типа МС-8П, в некоторых двигателях используется масло турбинное типа ТП-22е. В высокотемпературных ГТД, конвертированных из авиадвигателей, применяются синтетические масла при условии минимизации потерь масла.

4. Требования экологии и безопасности

Существуют допустимые нормы содержания окислов азота и углерода в выхлопных газах приводных ГТД ГПА.

Содержание окислов азота (в сухих продуктах сгорания при температуре 0,1013 МПА и условной концентрации кислорода 15 %):

- для вновь проектируемых ГТД - не более 50 мг/нм3;

- для модернизируемых ГТД – не более 150 мг/нм3.

Содержание оксидов углерода – не более 100 мг/нм3.

Компрессорные станции магистральных газопроводов являются объектами повышенной пожаровзрывоопасности. Поэтому к ГТД для ГПА предъявляются особые требования по обеспечению безопасности работы. Конструкция двигателя в целом, его составных частей, агрегатов, трубной и электрической обвязки должны гарантированно исключать искрообразование, утечку топливного газа, нелокализованные разрушения роторов.

В конструкции должны применяться датчики и агрегаты взрывобезопасного исполнения, корпуса компрессоров, турбин следует проектировать более прочными. Двигатели необходимо оборудовать системой автоматической защиты от раскрутки роторов, а в случае ее отказа разрушение лопаток должно предшествовать разрушению дисков.

В отличие от авиационных двигателей ГТД для ГПА устанавливаются в специальных укрытиях. закрываются шумотеплоизолирующими кожухами. Кроме того, в составе самих ГПА предусмотрены шумоглушащие устройства во входной шахте и в системе выхлопа. Поэтому в конструкции собственно двигателя не предусматриваются какие-либо устройства для снижения уровня шума.

5. Области применения и перспективы использования

Газовые турбины используются в кораблях, локомотивах и танках. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами.

В 1950 году дизайнер Ф.Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировал первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в Лондоне в Музее Науки.

Команды Rover и British Racing Motors (BRM) (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, авто, с приводом от газовых турбин, которое приняло участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемое Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Оно имело среднюю скорость - 107,8 миль/ч (173 км/ч), а максимальную скорость - 142 миль/ч (229 км/ч). Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин.

На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке "Инди-500"; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом).

Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин.

Первые исследования в области применения газовой турбины в танках проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком, на котором устанавливали газотурбинный двигатель стал С-танк. Газовые двигатели установлены в российском Т-80 и американском М1 Абрамс.

Газотурбинные двигатели, устанавливаемые в танках, имеют при схожих с дизельными размерами гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность. Однако из-за низкого КПД подобных двигателей требуется гораздо большее количество топлива для сравнимого с дизельным двигателем запаса хода. К тому же газотурбинные двигатели критичны к загрязнению, т.к. это прямо приводит к повреждению лопаток, для предотвращения этого недостатка увеличивается объем систем воздухоочистки.

Применение газотурбинного двигателя на наземных транспортных средствах вызвано необходимостью дальнейшего повышения мощности в одном агрегате, значительного уменьшения массы и габаритов двигателя, снижения токсичности отработавших газов.

Успехи применения газотурбинных двигателей в авиации создали возможность использования их в качестве стационарных и транспортных установок, которые в отличие от авиационных должны работать более длительное время. Правда, достижения в создании подобных газотурбинных установок еще достаточно скромны. Дело в том, что жаропрочные стали дороги, а обычные непригодны для изготовления лопаток турбины, работающих при температурах выше 900 С без охлаждения.              Схема цикла газовой турбины мощностью 750 кет.

Кроме того,  применение газотурбинного двигателя позволяет значительно уменьшить размеры и массу общей фундаментной рамы буровой установки за счет отсутствия трех ( или двух) дизелей и передаточных устройств от них к валу трансмиссии.

Главной причиной, препятствующей началу применения газотурбинных двигателей на автомобилях большой грузоподъемности, является их высокая удельная стоимость. Кроме того, удельные расходы топлива выше, чем у дизелей, особенно при малых мощностях, и до настоящего времени не накоплено достаточно материалов по долговечности газотурбинных двигателей. Как следует из всего сказанного,  применение газотурбинных двигателей в практике стационарных промышленных установок средней и малой мощности целесообразно и может достигнуть достаточно больших размеров.

        В последние годы ведутся разработки по применению газотурбинного двигателя в качестве энергетической установки для автомобиля. Это связано не только со специфическими преимуществами газотурбинного двигателя, но и в значительной степени с тем.

В последнее время в литературе широко освещаются вопросы применения газотурбинных двигателей в качестве силовых установок в промышленности и на транспорте.

Его работы Технико-экономические исследования эффективности новой техники на базе Г ГУ и центробежных компрессоров на FB3 и нефтепромыслах СССР ( 1965 г.) и Применение авиационных газотурбинных двигателей в нефтедобывающей промышленности ( 1966 г.), а также работы других институтов подтверждают экономическую эффективность применения газотурбинных двигателей.