Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

ГАЗОТУРБИННЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В газотурбинном двигателе внутреннего сгорания используют кинетическую энергию потока газов, действующего на подвижную «стенку», которая в этом случае представляет собой лопатки рабочего колеса турбины.
Принцип действия газотурбинного двигателя можно уяснить по схеме рис. 12.6. Это двигатель внутреннего сгорания с непрерывным однонаправленным потоком рабочего тела. В камеру сгорания 7 компрессором 2 через диффузор 3 подается сжатый воздух, поступающий через входной патрубок 1. Топливо непрерывно впрыскивается форсункой 5 и воспламеняется свечой 6. Поскольку поступающий в камеру сгорания сжатый воздух выполняет функции «крышки цилиндра» и имеет максимальное давление относительно всей проточной части газотурбинного двигателя, образовавшиеся продукты сгорания через направляющие лопатки 8 устремляются на лопатки 9 рабочего колеса 11 и, отдавая ему свою энергию, приводят его во вращение. Рабочее колесо связано валом 10 с трансмиссией 12 автомобиля и колесом компрессора. Для улучшения использования теплоты, выделившейся при сгорании топлива, и с целью уменьшения его расхода поступающий в камеру сгорания воздух предварительно нагревается отходящими отработавшими газами в теплообменнике 4.
Основными элементами газотурбинного двигателя являются компрессор и турбина. На автомобильных ГТД применяют как осевые, так и радиальные компрессоры, однако большее распространение получили радиальные благодаря своей простоте и более высокой степени повышения давления в одноступенчатом исполнении.
Газотурбинные двигатели имеют ряд преимуществ перед поршневыми: рабочие органы совершают в них только вращательное движение и легко уравновешиваются; характеристика крутящего момента протекает весьма благоприятно (с уменьшением частоты вращения крутящий момент резко возрастает); могут работать на любом малосернистом жидком или газообразном топливе с большим избытком воздуха, поэтому продукты сгорания их имеют меньшую концентрацию токсичных веществ; легко пускаются при низких температурах и отличаются большой габаритной мощностью.
Однако газотурбинные двигатели сложны и дороги в производстве. Рабочая частота вращения вала тяговой турбины составляют 30—50 тыс. в минуту, что усложняет трансмиссию автомобиля. Без теплообменника газотурбинные двигатели имеют сравнительно низкую экономичность, а существующие теплообменники громоздки и сложны в изготовлении.
В современных газотурбинных двигателях мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха и привод вспомогательных агрегатов, обычно составляет 60—70% работы газов при расширении. Следовательно, мощность турбины должна значительно превышать эффективную мощность двигателя.
Показанную на рис. 12.6, а схему одновального ГТД, когда компрессор и турбина жестко соединены валом, для транспортных целей не применяют. При увеличении сопротивления движению частота вращения трансмиссии и вала ГТД уменьшается, а это связано с уменьшением массового расхода компрессора и мощности всего агрегата. Поэтому для транспортных ГТД применяют двух или трех вальные двигатели.
В двух вальных двигателях (рис. 12.6, б) трансмиссия автомобиля и компрессор приводятся в движение отдельными турбинами: самостоятельной силовой тяговой турбиной и турбиной привода компрессора. При этом компрессор приводится в движение от турбины высокого давления, на лопатки которой газы поступают непосредственно из камеры сгорания, а трансмиссия — от турбины низкого давления. Мощность в газотурбинных двигателях регулируется изменением подачи топлива в камеру сгорания, т. е. изменением температуры и количества газов, поступающих на лопатки рабочего колеса турбины. С уменьшением подачи топлива снижается мощность турбины привода компрессора, вследствие чего уменьшается его массовый расход, а это вызывает дальнейшее снижение мощности обеих турбин. Снижение максимальной температуры цикла и степени повышения давления компрессора вызывает ухудшение КПД агрегата и резкое увеличение удельного расхода топлива.
Более экономичны трехвальные ГТД, которые имеют два компрессора с приводом от самостоятельных турбин и силовую турбину низкого давления (рис. 12.6, в). Из компрессора низкого давления воздух поступает в промежуточный холодильник, а затем,— в компрессор высокого давления, имеющий о;бщшй вал с турбиной высокого давления. Сжатый примерно до 1,5 МПа воздух через теплообменник поступает в камеру сгорания. После турбины высокого давления в продукты сгорания, еще богатые кислородом, впрыскивается дополнительное количество топлива (во второй камере сгорания), после чего газы поступают на лопатки рабочего колеса турбины привода компрессора низкого давления и далее — на лопатки силовой турбины. Поскольку в этом случае двигатель регулируют путем изменения степени нагрева рабочего тела перед турбиной привода компрессора низкого давления, температура газов в ступени высокого давления остается практически постоянной. Это позволяет двигателю работать со сравнительно хорошими показателями на частичных нагрузках. Недостаток такого двигателя — сложность его конструкции.
С целью повышения экономичности автомобильных газотурбинных двигателей применяют теплообменники, позволяющие утилизировать теплоту газов после выхода из турбины. В практике используют теплообменники рекуперативные, в которых теплота передается от газов на разделяющую стенку и от нее к воздуху, и регенеративные, в которых нагреваемые газами стенки аккумулируют теплоту, а затем отдают ее воздуху, который пропускают через теплообменник.
Рекуперативные теплообменники должны обладать высокой теплопроводностью и развитой поверхностью теплопередачи. Изготовляют их из тонкостенных коррозионно-стойких и жаростойких материалов. Рекуперативные теплообменники передают сжатому воздуху около 70% теплоты отходящих газов. Они сравнительно просты по конструкции 'И полностью предотвращают смешение продуктов сгорания и сжатого воздуха.
Регенеративные теплообменники выполняют в виде вращающихся дисков или барабанов, одна часть которых нагревается отходящими газами, а другая — охлаждается сжатым воздухом. Они позволяют утилизировать до 90% теплоты продуктов сгорания.
Однако уплотнение вращающегося барабана (рис. 12,7, а) или диска (рис. 12.7, б) теплообменника весьма сложно, так как помимо высокого перепада давлений между газом и воздухом существует значительный перепад температур — до 400°С, что приводит к короблению деталей конструкции, увеличению зазоров и перетечек.
В настоящее время большое распространение получили регенеративные теплообменники из тонкостенной керамики, обладающие высокой теплоемкостью и термостойкостью. Элемент такого теплообменника показан на рис. 10.10, к.
Газотурбинные двигатели, как и роторно-поршневые, за последние десятилетия прошли несколько фаз развития. В 50-х годах появились первые двигатели для автомобилей, которые, обладая высокой мощностью, отличались прежде всего чрезмерным расходом топлива, особенно в области частичных нагрузок и на переменных режимах движения. Существенное снижение расхода топлива было достигнуто с помощью теплообменников и регулируемых направляющих лопаток. Тем не менее оставалось еще много нерешенных проблем, которые ослабили интерес автомобильной промышленности к ГТД, и только в конце 70-х годов автомобильные фирмы вновь вернулись к разработке ГТД с использованием новых материалов и возможностей электроники в системах регулирования мощности двигателя.
Термический КПД теплового двигателя, а в конечном итоге и эксплуатационные расходы топлива зависят от перепада температур рабочего тела. Традиционные материалы (легированные стали) позволяли работать с температурой на выходе из камеры сгорания не более 850—900°С, применение стальных лопаток турбины с внутренним охлаждением приблизило рабочую температуру к границе 1100—1200°С, но производство их оказалось слишком дорогим. В настоящее время разработана технология изготовления колес турбины спеканием из порошка нитрида кремния, которые выдерживают рабочие температуры до 1400°С. Высокие механические и антикоррозионные свойства керамического материала не устраняют, однако свойств керамики разрушаться при резких перепадах температур, поэтому в систему управления ГТД необходимо вводить температурный контроль.
Существенного снижения расхода топлива на частичных нагрузках удается добиться за счет регулирования количества воздуха на входе в компрессор с помощью поворотных лопаток направляющего аппарата при неизменной оптимальной частоте вращения вала компрессора. В сочетании с управляемыми лопатками статора тяговой турбины обеспечивается повышение и динамических характеристик двигателя на переменных режимах.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.