Современные газотурбинные двигатели для автомобилей.

Лекция. 12. Гидравлические и газовые турбины.

Гидравлические турбины.

Газовые турбины, используемых в газотурбинных установках и газотурбинных двигателях.

 

Газовые турбины в настоящее время используют в качестве стационарных установок и особенно широко распространены в авиации. Большие экспериментальные работы ведутся сейчас и в области создания газотурбинных двигателей для автомобилей, тракторов и танков.

Основными агрегатными газотурбинных установок (рис. 2, а) является компрессор, камера сгорания и турбина. Рабочим телом в газовой турбине является газ с температурой 750-900 °С.

Сгорание топлива может происходить или при постоянном объеме, или при постоянном давлении. В настоящее время используются газотурбинные установки со сгоранием горючего при постоянном давлении, как наиболее легко выполнимые конструктивно и надежно работающие. По направлению потока газов турбины делят на осевые и радиальные. Основное отличие радиальной турбины от осевой заключается в расположении лопаток, а отсюда и направление движении движения газов. У осевой турбины лопатки расположены на ободе диска радиально, а газы движутся вдоль оси вращения диска. У радиальной турбины лопатки расположены перпендикулярно диску, а газы движутся от обода к центру диска (центростремительная турбина) или от центра к ободу колеса (центробежная турбина).

Радиальная турбина по сравнению с осевой имеет ряд преимуществ:

- в ней конструктивно легче выполнить рабочие лопатки и осуществить их охлаждение;

- при задачной прочности материала она может работать с более высокими окружными скоростями;

- меньше потери газа в рабочем колесе.

По принципу действия турбины бывают активные и реактивные. Принципиальная схема устройства и работы обоих типов турбин показан на рис. 28.

В активной турбине (рис. 28, а) расширение газа, снижение его давления м, как следствие, увеличение скорости газа происходят в неподвижных сплавах. Давление газа на входе и выходе из турбины остается постоянным. В результате движения газов по криволинейной поверхности лопатки с большой скоростью возникает центробежная сила (Ракт), которая давит на лопатки колеса с направлением его вращения.

В реактивной турбине (рис. 28,б) увеличение скорости происходит в сужающемся канале между лопатками. Разное давление по длине лопатки вызывает появление реактивной силы (Рреакт). Одновременно за счет движения газа по искривленной поверхности лопатки возникает центробежная сила (Ракт). Равнодействующая этих сил (Рдвиж) и заставляет колесо турбины вращаться.

Турбины также могут быть одно- и многоступенчатыми. Ступенью турбины считается комплект, состоящий из ряда направляющих сопел и диска с лопатками. В многоступенчатой турбине скорость вращения колес ниже, чем одноступенчатой. Поэтому возможно использование газа с высоким давлением. За счет этого достигается большая экономичность работы. В автомобильных газотурбинных двигателях ввиду сравнительно небольших мощностей применяются одноступенчатые турбины.

 

Современные газотурбинные двигатели для автомобилей.

 

В настоящее время уже созданы опытные образцы автомобильных газотурбинных двигателей. Научно- исследовательским автомобильным автомоторным институтом (НАМИ) изготовлен и испытан отечественный газотурбинный двигатель «ТурбоНАМИ-053» мощностью 350 л.с.

Этот двигатель был установлен на автобусе ЗИЛ-127 вместо двигателя ЯАЗ-206. он оказался в 2 раза легче, а его мощность на 170 л.с. выше при тех же габаритных размерах. Средние скорости движения автобуса при испытаниях составили 80-100 км/час, а максимальная 130 км/час. При испытаниях двигатель одинаково безотказно и бездымно работал на дизельном топливе, так и на керосине.

Конструктивная схема двигателя «ТурбоНАМИ-053» показана на рис. 29.

Двигатель состоит из двух основных агрегатов: турбокомпрессора и турборедуктора.

Турбокомпрессор составляют центробежный компрессор 1, турбина 3 привода компрессора и шесть камер сгорания 2.

На номинальном режиме вал турбокомпрессора делает 23 000 об/мин, а компрессор сжимает воздух до давления 3,5 кг/см².

Турборедуктор состоит из тяговой турбины 4 и редуктора 5, понижающего обороты вала тяговой турбины с 16 000 до 3 000 об/мин. Благодаря редуктору крутящий момент турбины увеличивается в пять с лишним раз. Кроме того, при полной остановке турбины под нагрузкой момент на её валу автоматически возрастает в 2 раза. В связи с этим упрощается силовая передача (трансмиссия) автомобиля. Так, у опытного автобуса коробка передач имела только две передачи вперед и одну назад.

Нет необходимости и в постановке сцепления, так как при малых передачах горючего тяговое усилие на колесах автомобиля незначительно. Вследствие этого управление автомобилем с газотурбинным двигателем значительно упрощается и сводится к пользованию педалью подачи горючего и тормозами.

Газотурбинные автомобильные двигатели по сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания обладают рядом ценных преимуществ:

- они имеют более высокий коэффициент приспособленности;

- размер и вес газотурбинного двигателя в 1,5-2 раза меньше, чем у поршневого, при значительно большей мощности;

- полностью уравновешены от сил инерции и их моментов;

- нетребовательны к горючему, могут работать на различных горючих (например, на керосине и дизельном топливе);

-легко запускаются в любых климатических условиях.

К недостаткам газотурбинных двигателей следует отнести повышенный удельный расход горючего по сравнению с дизелями и пониженную износостойкость.