Интересная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует коллег.
Ближайшее завтра автомобиля – высокая скорость, стремительный разбег, компактный, легкий и в то же время мощный двигатель, нетребовательность к топливу, простота управления. Все эти качества имеются у газотурбинного автомобиля.
Газовая турбина – совершенно новый для автомобилей двигатель. С его установкой автомобиль освобождается от сцепления, коробки перемены передач, гидротрансформатора. При поршневом двигателе внутреннего сгорания они необходимы. В момент трогания автомобиля коленчатый вал двигателя вращается, в то время как вся трансмиссия, то есть система передач от двигателя до колес, неподвижна. Чтобы стронуть автомобиль с места и разогнать его до какой-то определенной скорости, к колесам его необходимо приложить определенное усилие. Для быстрого разгона и преодоления сил инерции автомобиля надо приложить значительно больше усилий, чем при движении. На ровной, хорошей дороге сила, передаваемая на колеса автомобиля, невелика, но на плохой дороге, при подъемах требуемое усилие – крутящий момент – возрастает. Поршневой двигатель, не оборудованный специальными устройствами – коробкой перемены передач и сцеплением, не может справиться с этим. Сила давления газа в его цилиндрах в процессе работы почти не изменяется.
Так родились два искусственных промежуточных механизма – сцепление и коробка перемены передач. Сцепление допускает взаимное проскальзывание и выравнивает обороты при переключении скоростей, с помощью же коробки перемены передач развиваемый двигателем крутящий момент может меняться. Оба они вызваны к жизни только неприспособленностью и несоответствием свойств поршневого двигателя внутреннего сгорания требованиям автомобиля. Поршневой двигатель и автомобиль как бы «не сошлись характером». А от этого страдают: технико-экономические показатели, поскольку машина стала тяжелее, чем могла бы быть; водитель – ввиду того, что усложнилось управление; и производство, так как увеличилось количество деталей.
Но ведь существуют же двигатели другие, которые лучше соответствуют условиям работы. Возьмем паровоз. Уже более ста лет возит он пассажиров и тяжелые грузы по железным дорогам. Нет на нем ни сцепления, ни коробки скоростей; большой, тяжелый и сильный, он покорно слушается одного органа управления: реверса– для движения и тормоза – для остановки. В чем же тут дело? Паровая машина имеет независимый паровой котел. Стоит паровоз или движется, а процесс подвода энергии в виде тепла топлива может происходить совершенно самостоятельно и в любых требуемых количествах. Поэтому паровая машина может создать наибольшую силу тяги в момент трогания с места и уменьшить ее в зависимости от условий движения в пути. Механизм сцепления и коробка перемены передач паровой машине не нужны.
Пример с паровой машиной показывает, что только разделение двигателя на два независимых агрегата, из которых один служит для преобразования энергии топлива в энергию рабочего тела – газа или пара, а другой для преобразования ее в механическую работу, может служить условием, позволяющим создать двигатель, более подходящий для автомобиля. При этом не имеет значения, будет ли двигатель поршневой или турбинный. Дело не в типе двигателя, а в его структуре.
В поршневом двигателе внутреннего сгорания образование газа и отдача им полезной работы происходит в одном и том же агрегате – в системе поршень – цилиндр. Двигатель нельзя заставить работать «не работая», то есть заставить топливо выделять свою скрытую энергию при неподвижном коленчатом вале. Отсюда необходимость в сцеплении. С другой стороны, ввиду постоянства степени сжатия, сила давления газов на поршень не изменяется в процессе работы. Отсюда почти независимая от оборотов величина крутящего момента и необходимость в коробке скоростей.
Таким образом, чтобы иметь хорошие тяговые качества и упрощенное управление, достаточно, чтобы автомобильный двигатель состоял из двух независимых агрегатов.
Эту задачу решают разными путями. Одним из них является создание гидравлических, механических или электрических передач, которые также основаны на принципе разрыва непосредственной механической связи между первичным двигателем и трансмиссией автомобиля.
Другой путь – постановка газотурбинного двигателя. Исследование различных схем показывает, что применение в автомобильном транспорте так называемых двухвальных газотурбинных двигателей значительно упрощает силовую установку и трансмиссию и создает более компактный, легкий и удобный в управлении автомобиль. Двухвальная схема двигателя позволяет сделать независимым агрегат, в котором осуществляется подвод и преобразование энергии топлива, от агрегата, связанного с колесами автомобиля.
На странице 15 дана простейшая схема такого двигателя. Турбокомпрессорный агрегат является как бы «газовым котлом» (подобно паровому котлу на паровозе). Центробежный компрессор (1) приводится в движение турбиной привода (2) и подает сжатый воздух в камеру сгорания (3), пройдя по пути через теплообменник (4). Вся мощность турбины (2) используется только для привода компрессора и вспомогательных агрегатов (5) – масляного и топливного насосов, электрогенератора и других.
Получаемые из «газового котла» газы поступают во вторую тяговую турбину (6), механически не связанную с первой. Эта турбина через редуктор (7), объединенный с механизмом заднего хода, приводит в движение колеса автомобиля. Изменение режима работы тяговой турбины происходит независимо от режима работы турбокомпрессорного агрегата. Весь запас мощности определяется количеством поступающего газа на лопатки турбины, его температурой и давлением.
Как видно из схемы, сцепления и коробки перемены передач такой автомобиль не требует. Для управления нужна только педаль газа.
При другой схеме – одновальной, когда диск тяговой турбины находится на валу турбокомпрессорного агрегата сзади турбины привода компрессора, полезная мощность двигателя на расчетном режиме не изменится, но работа двигателя будет протекать по-другому. Увеличение нагрузки снизит обороты двигателя и будет сопровождаться уменьшением количества подаваемого компрессором воздуха, уменьшением количества сжигаемого топлива и общим уменьшением располагаемой энергии потока газа, проходящего через турбины. Величина крутящего момента, развиваемого двигателем, снизится. Работа одновального газотурбинного двигателя будет протекать с еще более неблагоприятной характеристикой, чем у поршневого, и такой двигатель без дополнения его сцеплением, коробкой перемены передач, гидротрансформатором или другими агрегатами будет для автомобиля непригоден.
Хотя двухвальный газотурбинный двигатель и обеспечивает полную возможность трогания с места и автоматическую приспособляемость к различным условиям движения автомобиля, наличие одной или двух понижающих передач будет, по-видимому, необходимо для тяжелых грузовиков и тягачей. В этом случае понижающие передачи нужны не столько ради обеспечения самой возможности движения, сколько для уменьшения расхода топлива.
Снижение оборотов турбины ухудшает ее коэффициент полезного действия. Одна или две понижающие ступени редуктора позволят не только увеличить силу тяги, но и расширить диапазон высоких значений кпд турбины. Эти передачи будут включаться при длительном движении в плохих дорожных условиях.
Хорошие тяговые качества двухвального газотурбинного двигателя являются не единственным преимуществом. Газотурбинный двигатель значительно проще и легче карбюраторного и дизельного. Он имеет в несколько раз меньше деталей и точных посадок, в десять раз легче дизельного двигателя и занимает значительно меньше места. В производстве потребуется меньше станков и оборудования, так как количество деталей у газотурбинного двигателя меньше и они проще. Некоторую сложность представляет только изготовление рабочих лопаток турбин, но и эта трудность может быть преодолена при применении рациональных методов производства (например, точное литье по восковым моделям).
При работе зимой в условиях низких температур воздуха мощность газотурбинного двигателя значительно увеличивается, экономические показатели улучшаются. Вместе с тем газотурбинный двигатель, работающий на подшипниках качения с применением жидких масел, не знает затруднений с запуском. Даже при морозах в 40–50° на запуск его тратится не больше 2 мин.
Непрерывный процесс горения позволяет применять все виды жидких и газообразных топлив, а в перспективе открывается возможность применения и твердого топлива, например в виде пыли. Расход масла в газотурбинных двигателях в 10–20 раз меньше, чем у поршневых.
Из числа других преимуществ следует отметить отсутствие вибраций, простоту обслуживания и нетрудоемкость ремонта, простоту системы зажигания, которая работает только в момент запуска, отсутствие наружной системы охлаждения, высокую полноту сгорания и безвредность выхлопных газов, а также возможность передачи мощности на высоких оборотах при малых усилиях и, следовательно, при более легкой трансмиссии.
Основным недостатком уже построенных автомобильных газотурбинных двигателей является относительно большой удельный расход топлива, в 2 раза больший, чем у современных карбюраторных двигателей, и в Зраза по сравнению с дизельными. Другим важным недостатком является необходимость применения дорогостоящих жаропрочных сплавов для деталей турбин.
Уже 8–10 лет ведутся работы по созданию газотурбинных автомобилей. Но пока это лишь опытные машины–лаборатории для исследований и испытаний.
Одним из первых был продемонстрирован в 1950 году газотурбинный легковой автомобиль английской фирмы «Ровер» с двигателем в 150 л. с. В 1952 году в Бельгии были произведены скоростные испытания усовершенствованного образца автомобиля с двигателем в 200 л. с. Этот автомобиль развивал скорость до 245 км/час на дистанции в один километр с ходу. Двигатель установлен за сиденьем водителя, перед задним мостом. Крыльчатка центробежного компрессора обеспечивает степень повышения давления 3,9. Вес двигателя – 227 кг, тогда как обычный поршневой двигатель с коробкой передач при мощности в 75 л. с. весит 363 кг. Схема двигателя типичная: независимый турбокомпрессорный агрегат, одна камера сгорания, отдельная тяговая турбина. Последняя через редуктор с механизмом заднего хода соединена с карданным валом. Сцепление и коробка скоростей отсутствуют. Управление производится двумя педалями: педалью газа и педалью тормоза. Разгон автомобиля с места до предельной скорости осуществляется только педалью газа.
В апреле 1954 года демонстрировался итальянский газотурбинный автомобиль фирмы «Фиат». В отличие от предыдущих двигатель его имеет двухступенчатый центробежный компрессор, с помощью которого степень повышения давления достигнута 4,5, и двухступенчатую турбину привода компрессора. Температура газа на входе в турбину компрессора – 800°. Число оборотов турбокомпрессорного агрегата – 30 тыс. об/мин. Одноступенчатая тяговая турбина позволяет развивать 22 тыс. об/мин. Вал тяговой турбины пропущен внутри ротора турбокомпрессорного агрегата вперед, где соединен с редуктором и трансмиосией. Мощность двигателя – 200 л. с., вес – 258 кг.
Общий пробег экспериментального тяжелого грузовика с газотурбинным двигателем «Боинг» (США) достиг к 1952 году 21 тыс. км, а общее время работы двигателя на нем – 550 часов. Около 85% общего пробега и рабочего времени грузовик имел нагрузку 21 т при общем весе автомобиля 34 т. Номинальная мощность двигателя – 175 л. с. Число оборотов турбокомпрессорного агрегата – 36 тыс. об/мин, степень повышения давления 3. Число оборотов тяговой турбины – 24 тыс. об/мин. Вес двигателя в сборе –128 кг. Этот двигатель заменяет дизельный той же мощности весом 1120 кг, а общий выигрыш в весе силовой установки – около 1500 кг. Торможение осуществляется двигателем при переключении на задний ход.
В США еще два автомобильных концерна ведут дорожные испытания газотурбинных автомобилей. Концерн «Дженерал моторс» несколько лет испытывает междугородный автобус с газотурбинным двигателем в 370 л. с. Двигатель расположен в задней части автобуса поперек машины. Выхлоп выведен вверх на крышу. Одноступенчатый компрессор сжимает воздух до 3,5 атм., который подогревается в одной камере сгорания. Одноступенчатая тяговая турбина через понижающий редуктор и угловую передачу соединена с задним мостом автобуса.
Несколько измененный экземпляр этого двигателя (с двумя камерами сгорания и другим редуктором) установлен на шасси гоночного автомобиля. Этот автомобиль, имея такой относительно маломощный двигатель, при испытании развил скорость 544 км/час. Интересно отметить, что абсолютный мировой рекорд скорости автомобиля, равный 633 км/час, установлен на автомобиле с двумя поршневыми двигателями по 1450 л.с. каждый (всего 2900 л.с.).
В 1954 году другая автомобильная фирма, «Крайслер», объявила о создании и успешном испытании газотурбинного автомобиля с двигателем мощностью в 120 л.с. Этот двигатель, в отличие от всех предыдущих, имеет теплообменник для использования тепла отходящих газов. Применение теплообменника позволяет получать эксплуатационный расход топлива, равный расходу топлива у автомобиля с поршневыми двигателями: 12–16 л на 100 км пути. Испытания показали хорошие тяговые качества этого газотурбинного автомобиля и высокую динамичность.
Наиболее важная задача при разработке автомобильных газотурбинных двигателей – это уменьшение расхода топлива. В тех областях, где высокий расход топлива допускается, маломощные газотурбинные двигатели (от 45 до 450 л.с.) широко применяются и производятся промышленностью разных стран серийно.
Повышение экономичности может быть достигнуто тремя путями: увеличением кпд центробежных компрессоров, повышением степени давления и температуры газа и использованием тепла отходящих газов. В самом деле, в камере сгорания расходуется топливо для подогрева воздуха, в то время как газы с температурой в 400–500° и выше выбрасываются в атмосферу. С одной стороны в камере сгорания затрачивается топливо для подогрева газов, в то время как с другого конца выбрасываются горячие газы. Сама собой напрашивается мысль, что необходимо заставить отходящие газы отдать свое тепло сжатому воздуху.
Идея теплообменника не нова, но трудность его создания для газотурбинного двигателя заключается в том, что он должен быть малых размеров, малого веса, хорошо встраиваться в двигатель, обеспечить наиболее полную передачу тепла от газа к воздуху при малых потерях давления. Теплообменник резко снижает расход топлива и делает газотурбинный двигатель экономичнее автомобиля с карбюраторным поршневым двигателем. Эта основная задача ждет своего разрешения.
источник: инженер М. БЕЛЯКОВ; Рис. А. КАТКОВСКОГО «Газотурбинные автомобили» «Техника-молодежи» 05/1956
