Газотурбінні двигуни
Бурхливий розвиток авіаційних газотурбінних двигунів у 40-х роках ХХ століття сприяв
розгортанню робіт зі створення суднових, локомотивних і автомобільних двигунів. На даний час
застосування ГТД в автотракторному транспорті практично обмежено великовантажними
кар'єрними самоскидами і спеціальними тягачами. Крім того, вони застосовуються як привод
електрогенераторів у віддалених районах будівництва.
Основні переваги ГТД:
1. Менша питома маса і габарити в порівнянні з ДВЗ.
2. Можливість використання різних рідких і газоподібних палив.
3. Велика потужність в одному агрегаті.
4. Більш сприятлива залежність крутного моменту від частоти обертання.
5. Кращі, ніж у ДВЗ, пускові характеристики, особливо при низьких температурах
навколишнього середовища.
6. Значно менша токсичність відпрацьованих газів.
Остання перевага пояснюється тим, що у камерах згоряння ГТД коефіцієнт надлишку
повітря (2.5) складає 3ч5 при гарному змішуванні палива з повітрям. Це забезпечує практично
повне згоряння палива. Вважають, що ГТД виділяє шкідливих речовин у 3ч4 рази менше, ніж
дизель, і в 5ч6 разів менше, ніж карбюраторний двигун. У відпрацьованих газах ГТД практично
відсутні альдегіди.
Найпростішою схемою ГТД є одновальна схема (рис. 17.1, а). До основних його елементів
відносяться компресор, камера згоряння і турбіна. Ступінь підвищення тиску повітря у
компресорі істотно впливає на показники потужності та економічності двигуна. Відомо, що з
ростом максимальної температури газу оптимальне значення πк,при який досягаються найкращі
ефективні показники двигуна, підвищується. У більшості сучасних автомобільних ГТД
застосовується одноступінчастий відцентровий компресор, у якого ступінь наддуву (3.1) πк
складає 4ч5. Деякі двигуни мають більш високі значення πк (до 16), що забезпечуються в
осевідцентровому або двоступінчастому відцентровому компресорі.
При пуску двигуна за допомогою електростартера частота обертання вала компресора
збільшується до пускової частоти, і паливо, що впорскується у камеру згоряння, загоряється від
однієї чи декількох електричних свіч. Після пуску двигуна свічі виключаються, але у камері
згоряння продовжується безупинне стійке горіння.
У зону горіння подається не все повітря, що надходить з компресора, а тільки частина
його (первинне повітря), що забезпечує згоряння палива при коефіцієнті надлишку повітря α =
1,0ч1,5. Температура газу у цій зоні досягає 2000 К та вище. При такій температурі через
недостатню жароміцність лопаток турбіна стає непрацездатною. Тому у жарову трубу за зоною
горіння приходиться додатково подавати надлишкове (вторинне) повітря. Після змішення
продуктів згоряння з вторинним повітрям температура газу на виході з камери згоряння
знижується до Т3, при якій забезпечується нормальна робота турбіни. З урахуванням вторинного
повітря коефіцієнт надлишку повітря складає 3,5ч4.
У ГТД величина Т3не перевищує 1300ч1350 К. Для підвищення Т3, від якої значно
залежать питомі енергетичні та економічні показники двигуна, застосовують охолодження
лопаток повітрям, що відбирається від компресора. Однак у двигунах невисокої потужності і
малих розмірів цей спосіб не застосовується через труднощі охолодження лопаток малої
довжини.
При розширенні у турбіні газ виконує роботу, частина якої витрачається на привод
компресора, а інша частина (ефективна робота) використовується споживачем.
В одновальному ГТД унаслідок твердого зв'язку турбіни з компресором зі зниженням
частоти обертання вала при зростанні зовнішнього навантаженню зменшується кількість повітря,
що надходить у камеру згоряння. Тому, щоб запобігти перевищення максимально припустимої
температури Т3, необхідно зменшувати подачу палива. У результаті цього крутний момент
двигуна знижується. Така зміна крутного моменту за частотою обертання принципово
непридатна для транспортної машини зі ступінчастою механічною трансмісією. Одновальний
ГТД у транспортних машинах можна використовувати з безступінчастою механічною,
електричною або гідрооб'ємною трансмісіями з гідромуфтою.
У двовальному ГТД (рис. 17.1, б) газ після камери згоряння послідовно розширюється
спочатку у турбіні привода компресора, а потім у силовій турбіні. Компресор і його турбіна, що
з'єднані валом, утворюють турбокомпресор. Уся робота, що створена у турбіні, затрачається на
привод компресора і частини агрегатів, які установлені на двигуні.
У двигуні з вільною силовою турбіною зі зростанням зовнішнього навантаження частота
обертання турбокомпресора залишається практично незмінною, а частота обертання силової
турбіни зменшується. Крутний момент при цьому зростає приблизно лінійно, досягаючи
максимального значення при цілком зупиненій силовій турбіні. Відношення максимального
крутного моменту до моменту при максимальній частоті обертання силової турбіни (тобто
коефіцієнт пристосовності за крутним моментом (4.14) ГТД) дорівнює 2,5ч3,0.
Рисунок 17.1. Схема одновального (а) і двовального (б) ГТД:
1 – компресор; 2 – камера згоряння; 3 – турбіна; 4 – компресорна турбіна; 5 – силова турбіна; 6 –
вихідний вал; 7 – подача повітря; 8 – подача палива; 9 – вихід відпрацьованих газів
Турбіна компресора може бути як осьовою, так і доцентровою, а силова турбіна –
осьовою. Майже у всіх сучасних ГТД силова турбіна виконується з регульованим сопловим
апаратом (РСА), тобто з поворотними лопатками соплового апарата (рис. 17.2).
Одним з ефективних шляхів підвищення економічності ГТД є застосування
теплообмінника, у якому вихідні із силової турбіни гази підігрівають повітря, що надходить з
компресора (регенерація тепла). Однак у сучасних ГТД із високими значеннями πк регенерація
принципово неможлива.
До недоліків, що стримують застосування ГТД, варто віднести меншу економічність,
особливо на часткових режимах навантаження, великий шум, погана динамічність розгону,
більш високу вартість у порівнянні з ДВЗ. В міру удосконалювання ГТД ці недоліки
зменшуються та область застосування двигунів буде розширюватися.
Рисунок 17.2. Газотурбінний двигун:
1 – фільтр і глушник; 2 – радіальний компресор; 3 – камера згоряння; 4 – теплообмінник; 5 –
випускне вікно; 6 – шестеренний редуктор; 7 – силова турбіна; 8 – регульовані напрямні лопатки
турбіни; 9 – компресорна турбіна; 10 – пусковий пристрій; 11 – допоміжне обладнання приводу;
12 – масляний насос системи змащення