У азотурбинные автомобилиН. В.кандидатзашш.сбеча номера \ 1 сгонания» Зыход газаПульманов,технических наук турбина тягобая компрессора • 01/рбина Рис. 5. Схема газотурбинного двигателя XP-2IгДЕЯ применить в автомобилях газо ­ турбинные двигатели возникла давно. Н о лишь за последние не ­ с колько лет их конструкциядо ­ стигла той степени совершенства, к ото ­ рая дает имправо на существование. Высокий уровень развития теории лопаточных двигателей, металлургии и техники производства обеспечи ­ вает теперь реальную возможность создания надежных газотурбинTOtlfll/So Sash* ных двигателей, способных с успеРис. 1. Принципиальная хом заменить на схема газотурбинного автомобиле порш ­ двигателя невые двигателиИсое 1, т акже приводимый в движение от вала турбины , нагнетает топливо вфорсунку 2, установленную вка ­ мере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющ ий аппарат 4 на рабочиелопатки5 колеса газовойтурбины7и заставляют его вращаться водном , о пределенном направлении. Газы, отработавшие втур ­ бине, выпускаются ватмосферучерезпатрубок 6. Вал 8газовойтурбины вращается вподшипниках 10. П о сравнению споршневыми двигателями внутреннегосгораниягазотур ­ бинный двигатель обладает весьма сущ ественнымипреимуществами . Правда, он тожееще не свободен от недостатк ов , н оони постепенно ликвидируются по мере развития конструкции . Характеризуя газовую турбину, п реж ­ д е всего следует отметить, что она, к аки паровая турбина, м ожет развивать большиеобороты . Э то дает возмож ­ ность получать значительную мощность от гораздо меньших поразмерам ( п осравнениюспоршневыми ) и почти в 10 раз болеел ег кихпо весу двигателей. Вращательное движение вала является по существу единственным видом движениявгазовойтурбине , в то время какв двигателе вн у трен н ег осгора ­ ния, п омимовращательного движения коленчатого вала, имеет местовоз ­ вратно-поступательное движениепорш ­ ня, а такжесложноедвижение шатуна. Г азотурбинные двигатели не требуют специальных устройств для охлаждения . Отсутствие трущихся деталей примини ­ м альном количестве подшипников обеспечивают длительную работоспособностьивысокую надежность газотурбинного двигателя. Н аконец , в ажное значение имеет то обстоятельство, что для питания газо ­ т урбинного двигателя используется ке ­ росин либо топлива типа дизельных, т. е. более дешевые , ч ембензин . Основная причина, которая сдерживает развитие автомобильных газотурбинных двигателей, з аключаетсявнеобходимости искусственно ограничи ­ вать температуру газов, п оступающих на лопатки турбины . Это снижает коэффи ­ циент полезного действия двигателя и приводит к повышенному удельному расходу топлива (на 1л . с ) . Т емпературу газа приходится ограни ­ чивать для газотурбинных двигателей пассажирских и грузовых автомобилей в пределах 600—700° Ц, а в авиационных турбинах до 800—900° Ц потому , что еще очень дорогивысокожаропрочные металлы. В настоящее времяуже существуют некоторые способы повышения коэффи- • циента полезного действия газотурбин - ' ных двигателей путемохлаждениялопа ­ ток, использования тепла отработавших газов для подогревапоступающеговка ­ м ерысгорания воздуха, п роизводства газов ввысоко эффективных свободнопоршневых генераторах, р аботающихпо [ д изель - к омпрессорному циклу с высок ой степенью сжатия и т. д . О т успехаработ в этой области во многом зависит решениепроблемы создания высоко экономичного автомобильного газотурб инного двигателя. Большинство существующих автомобильных газотурбинных двигателей по ­ с троенопо так называемой двухвальной схеме степлообменниками . На рис . 2 представлена такая схема. Здесь для привода компрессора 1 служит специальная турбина 8, а для приводаколес автомобиля — тяговая ту рби на 7. Валы турбин не соединенымеждусобой . Газы из камеры сгорания 2 вначале поступают на лопатки турбины привода компрессора , а затем на лопатки тяговой турбины . Воздух, нагнетаемый компрессором , п реждечем поступить в камеры сгорания, подогревается втеплообменниках3за счет тепла, отдаваемого отработавшими газами. П рименение двухвальной схемы соз ­ дает выгоднуютяговуюхарактеристикугазотурбинных двигателей, п озволяющую сократить число ступеней вобычнойко ­ робке передач автомобиля и улучшить егодинамические качества. Ввиду того , что вал тяговойтурбины механически не связан с валом турбиныкомпрессора , число егооборотовмо ­ ж ет изменяться в зависимости от на ­ грузки, не оказывая существенного влияния на число оборотов вала ком ­ п рессора . Вследствие этого характери ­ стика крутящегомоментагазотурбин ­ н ого двигателя имеет вид, представленный на рис . 3, г дедля сопоставления нанесена такжеи характеристика порш ­ н евогоавтомобильного двигателя (пунктиром). Из диаграммы видно, что у поршневого двигателя по мере уменьшения числа оборотов , п роисходя ­ щ егопод влиянием возрастающей наг рузки , к рутящиймомент вначале нес колько возрастает, а затем падает. В то жевремяу двухвального газотур ­ бинного двигателя крутящий момент автоматически возрастает помере увеличения нагрузки . В результате необхо ­ димость впереключениикоробкипере ­ дач отпадает либо наступает значительно позже , ч емупоршневого двигателя. С другой стороны, ускорения при разгоне уд ву х вал ьного газотурбинного двигателя будут значительно большими .Рис. 2. Принципиальная схема двухвального газотурбинного двигателя с теплообменником1$ $1 SХ-"-—• ^в^Оборотыдвигателя—9-Рис. 3. Характеристики крутящего момента двухвального газотурбинного двигателя и поршневогов н ут ре нне го сгора ­ ния. Что представляет собойгазотур ­ бинный двигатель? На рис . 1 пока ­ зана принципиальная схема тако ­ го двигателя. Ротационный компресс ор 9, н аходящий ­ ся на одном валу 8с газовой турбиной 7, засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и нагнетает вка ­ м ерусгорания 3. Топливный на-Рис. 4. Принципиальная схема газотурбинного двигателя со свободно-поршневым генератором газаРис. 6. Газотурбинный двигатель «Боинг-502-1» Рис. 7. Тяжелые грузовики с различными двигателями Характеристика одновального газотурбинного двигателя отличается от показанной на рис. 3 и, как правило, уступает, с точки зрения требований динамики автомобиля, характеристике поршневого двигателя (при равной мощности). Большую перспективу имеет газотурбинный двигатель, схема которого показана на рис. 4. В этом двигателе газ для турбины вырабатывается в так называемом свободно-поршневом генераторе, представляющем собой двухтактный дизель и поршневой компрессор, объединенные в общем блоке. 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 свободнопоршневым. 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 оппозитно 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, к о ­ торое 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 3и9 связаны ком ­ прессорные 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. Следующее сопоставление коэффициентов полезного действия показывает, что описанный газотурбинный двигатель уже сейчас по своей эффективности не уступает двигателям внутреннего сгорания: Дизель 0,26—0,35 Двигатель карбюраторный, бензиновый, с принудительным зажиганием . . 0,22—0,26 Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема без теплообменника , 0,12-0,18 Газовая турбина с камерами сгорания постоянного объема с теплообменником 0,15—0,25 Газовая турбина со свободно-поршневым генератором газа 0,25—0,35 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. Его эффективная мощность составляет 370 л. с. ТопливомГазотурбинный автомобиль Ровер для него служит керосин. Скорость вращения вала компрессора достигает 26 000 об/мин, а скорость вращения вала тяговой турбины от 0 до 13 000 об/мин. Температура газов, поступающих на лопатки турбины, равна 815° Ц, 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.Рис. 10. Испанский газотурбинный двигатель, предназначенный для автобуса: 1 — двухступенчатый нагнетатель; 2 — две независимые турбины; 3 •—• теплооб менник; 4 —• вспомогательные агрегаты; 5 — планетарная передача Другой газотурбинный двигатель — «Боинг 502-1» (рис. 6) был установлен на тяжелом грузовике. Двигатель развивает мощность 175 л. с. Весит он 90,7 кг и занимает небольшое подкапотное пространство. О компактности газотурбинного двигателя можно судить по фотографии (рис. 7), на которой показаны два грузовика, шасси которых одинаковы, но на одном (слева) установлен газотурбинный двигатель, а на другом (справа) — поршневой бензиновый. Фирма Крайслер (США) также ведет экспериментальные работы с газотурбинными двигателями. Легковой автомобиль этой фирмы («Плимут») с установленным на нем газотурбинным двигателем мощностью 120 л. с , снабженным теплообменником, расходует 15,9 л топлива на 100 км пробега.Рис. 8. Газотурбинный автомобиль Фиат......< .V»- • •