Газотурбинный двигатель. Устройство и принцип работы. Устройство двигателя газотурбинногоГазотурбинный двигатель. Устройство и принцип работы.
Как работает газотурбинный двигатель? Если рассматривать, более подробно процесс работы газотурбинного двигателя, то можно выделить несколько этапов, которые в соединении описывают сложный процесс преобразования энергии сжатого газа в механическую работу. Какие это этапы?
Принцип работы газотурбинных двигателей. Чтобы добиться высокого КПД в тепловом двигателе, необходимо добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, но не всегда это можно достичь. Препятствиями можно назвать не способность материалов, из которых построен двигатель (никель, сталь, керамика и прочие) выдерживать большие температуры и давление. Очень большое количество трудов инженеров было направлено на то, чтобы успешно отводить тепло от турбины и использовать его там, где это необходимо. Смело можно сказать, что их работа была проведена не зря, ведь в настоящее время, благодаря подобным разработкам, было достигнута эта цель путем перенаправления тепла выхлопных газов, сжатому воздуху. Такой процесс называется рекуперирование. Это очень успешных подход, ведь в противном случае тепло выхлопных газов было бы просто утеряно, а так, оно способно служить источником нагрева сжатого воздуха, перед процессом дальнейшего сгорания. Таким образом, можно смело утверждать, что без этого процесса и специальных теплообменников (рекуператоров) не удалось бы достигнуть столь высокого КПД.
Устройство газотурбинного двигателя. Что касается устройства, тут все не так и сложно, как можно себе представить. Газотурбинный двигатель состоит из камеры сгорания, где также установлены свечи зажигания и форсунка, для подачи топлива и получения искры в камере сгорания. Турбинное колесо со специальными лопатками установлено на одном валу с компрессором. К устройство двигателя также относятся: понижающий редуктор, теплообменник, выпускной трубопровод, впускной канал, а также диффузор и сопла. При вращении вала компрессора, его лопасти захватывают воздух, который поступает через впускной канал. После того, как компрессор увеличивает скорость движения до 500 метров в секунду, он нагнетает его в диффузор. На выходе диффузора, скорость воздуха уменьшается, но с тем же повышается его давление. После диффузора, воздух попадает в теплообменник, где нагревается теплом отработанных газов и переходит в камеру сгорания. Помимо подогретого и сжатого воздуха, в камеру сгорания постоянно подается топливо в распыленном виде, через форсунку. Топливо смешивается с воздухом, образуя топливную смесь, далее эта смесь воспламеняется, с помощью искры, которую производит свеча. В результате сгорания, давление в камере повышается, нагретые газы проходят через сопло и попадают на лопатки турбинного колеса, которые приводятся в движение. Крутящий момент турбинного колеса передается через понижающий редуктор на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы подходят в теплообменник, где подогревают поступивший сжатый воздух и выходят в атмосферу.
Типы газотурбинных двигателей.Касательно типов, их очень большое количество, при этом суть работы одна и та же, но выполнение – немного различно. В зависимости от типов, газотурбинный двигатель имеет широкое применение на морских судах, железнодорожных составах, автомобилях, самолетах, вертолетах и даже в танках.К слову на сегодняшний день лишь американский танк Абрамс М1А1 оснащен газотурбинным двигателем.У советских инженеров тоже были попытки применить ГТД на танках,было даже несколько прототипов на базе Т-80,но почему то дальнейшие разработки были свёрнуты. yamotorist.ru Особенности работы и устройство двс с непрерывным сгоранием топлива1. Особенности ДВС с непрерывным сгоранием топлива 2. Принцип работы реактивного двигателя 3. Принцип работы газотурбинного двигателя 4. Принцип работы турбо реактивного двигателя 1. Двигатели с непрерывным сгоранием топлива. Основной элемент двигателей с непрерывным сгоранием топлива — камера - сгорания постоянного объема. В нее подаются горючее и окислитель. Газовый поток продуктов сгорания за счет высокой температуры и расширения приобретает большую кинетическую энергию, которая преобразуется в так называемую реактивную силу тяги двигателя или энергию вращения ротора газовой турбины. Возникновение реактивной силы хорошо иллюстрирует опыт из школьного курса физики — «вращение сегнерова колеса»: вода, вытекая из колеса в одну сторону, заставляет вращаться колесо в противоположную сторону. 2. Принцип работы реактивного двигателяРеактивный двигатель. Рабочая смесь для реактивного двигателя, схема которого представлена на рис. 4, готовится, как правило, из жидкого топлива и окислителя, хранящихся в отдельных резервуарах специального бака 1, из которых они непрерывно подаются в камеру сгорания 4 специальными дозирующими насосами 2 и 7 под давлением через форсунки открытого типа 6. Рабочим телом для реактивного двигателя являются продукты реакции окисления топлива (продукты горения топлива), которые при выходе из сопла 5 имеют высокую температуру и большую скорость истечения. Эти параметры рабочего тела позволяют создать значительную силу тяги у такого двигателя. Запуск осуществляется кратковременным включением запальной свечи 3.
Рис. 1. Схема жидкостного реактивного двигателя: 1 — баки; 2 — дозирующий топливный насос; 3 — запальная свеча; 4— камера сгорания; 5 — сопло; 6 — форсунки; 7— дозирующий насос окислителя Особенность работы реактивного двигателя состоит в том, что его сила тяги не зависит от скорости движения силовой установки. Простота конструкции делает его достаточно дешевым и простым в эксплуатации, однако большая теплонапряженность деталей приводит к снижению надежности и сроков службы. К недостаткам этих тепловых двигателей следует отнести большой шум при работе и низкую экономичность, что является основными причинами, ограничивающими их применение на железнодорожном транспорте. Широкое распространение эти двигатели получили в авиации и ракетной технике. 3. Принцип работы газотурбинного двигателяГазотурбинный двигатель. Газотурбинный двигатель (ГТД) представляет собой разновидность теплового двигателя, в конструкции которого имеются лопаточные машины. Особенностью работы является то, что превращение энергии горящего топлива в механическую работу происходит в нем непрерывно. В ГТД составные части рабочего цикла, включающего сжатие воздуха, отвод теплоты к рабочему телу и расширение, разобщены между собой и протекают в разных местах. В поршневых же двигателях процессы сжатия воздуха, подвода теплоты к рабочему телу и расширения, последовательно чередуясь, осуществляются в одном месте — рабочем цилиндре. Газотурбинный двигатель может быть использован в качестве теплового двигателя на газотурбовозах и самолетах. Газотурбинный двигатель может работать на любом виде и сорте топлива (жидкое, твердое и газообразное). Наиболее простая принципиальная схема одновального турбинного двигателя, используемого на газотурбовозах, представлена на рис. 5. Сжигание топлива производится в специальной камере сгорания 8. Топливо в нее через форсунку подается насосом 3. Воздух, необходимый для горения топлива, поступает в двигатель через управляемое воздухозаборное устройство 6. Установленный на одном валу 4 с рабочим колесом газовой турбины 2, воздушный компрессор 5 сжимает его и подает в камеру сгорания 8. Продукты горения топлива из камеры сгорания, проходя через направляющий аппарат 9, поступают на лопатки рабочего колеса 2 и далее погазоотводу 10 в атмосферу. Газовая турбина, имеющая рабочие органы в виде лопаток со специальным профилем, закрепленных на рабочем колесе 2, работает с высокой частотой вращения (100... 250 с-1), приводя в действие как воздушный компрессор 5, так и свободный вал 4 для передачи мощности потребителю 11. Для запуска ГТД служит специальный пусковой двигатель 12, который начинает проворачивать свободный вал 4, а электрическая свеча 7 осуществляет первоначальное зажигание топлива в камере сгорания 8. Применение в турбине нескольких последовательно расположенных рядов рабочих колес с лопатками позволяет более полно использовать энергию отработавших газов и увеличить ее мощность. Газовые турбины уступают по экономичности поршневым двигателям внутреннего сгорания, особенно при работе с неполной нагрузкой. Кроме того, они отличаются большой теплонапряженностью лопаток рабочего колеса, которые непрерывно работают в высокотемпературной среде. Температура продуктов сгорания топлива достигает 1 800... 2000 °С и выше. Охлаждающей средой ГТД является только воздух, который подается значительными объемами в камеру сгорания. Другие способы отвода тепла от лопаток рабочего колеса сложны и малоэффективны. В силу этого обстоятельства привод воздушного компрессора, подающего воздух в камеру сгорания, требует больших затрат мощности, до 60... 70 % от полной мощности ГГД. На сегодняшний день известно много конструкций и схем ГТД, отличающихся друг от друга следующими параметрами: • условиями сжигания топлива — с внутренним и внешним сжиганием; • использованием рабочего тела в круговом процессе — разомкнутые и замкнутые системы; • количеством валов — одновальные, двух- и многовальные. Рис. 2. Принципиальная схема одновального газотурбинного двигателя: 1 — корпус газовой турбины; 2 — рабочее колесо газовой турбины; 3 — топливный насос; 4 — свободный вал; 5— воздушный компрессор; 6 — воздухозаборное устройство воздушного компрессора; 7— электрическая свеча зажигания; 8— камера сгорания; 9 — направляющий аппарат; 10 — газоотвод; II — потребитель мощности; 12 — пусковой двигатель В установках СПГГ обычно используется низкосортное топливо. Турбина работает на газе с относительно невысокой температурой (500... 600 °С), поэтому для изготовления лопаток может быть использован менее жаропрочный материал. КПД таких установок достигает 35 %, однако они имеют увеличенную массу и габариты по сравнению с дизелями с газотурбинным наддувом. Экономичность работы ГГД можно улучшить за счет повышения температуры газов перед турбиной, использования многовальных систем, применения регенерации и утилизации теплоты уходящих газов (например, для отопления и кондиционирования воздуха в вагонах), применения промежуточного охлаждения воздуха при сжатии и промежуточного подвода теплоты к газу при его расширении. Обеспечение этих мероприятий требует применения жаропрочных сталей для лопаток турбины, использования металлокерамических материалов, воздушного охлаждения части турбины. При этом КГТД действующих установок повышается до 33... 40 %. Существуют проектные разработки и попытки создания локомотивных газотурбинных двигателей на твердом или пылевидном топливе. Газотурбинная установка компактна, обладает малой массой на единицу мощности, не содержит деталей с возвратно-поступательным движением, которое приводит к более быстрому износу двигателя, отличается малыми затратами на содержание оборудования. Она может работать без потребления воды, в ней легко полная автоматизация процессов, имеется реальная возможность для сжигания в камере сгорания различных видов топлива, а также имеет относительно постоянный вращающий момент на валу отбора мощности. Особенность ГТД, применяемых в авиации, является то, что энергия сгорания топлива преобразуется в энергию истечения газов, которые с большой скоростью через выпускную систему ГТД выбрасываются в атмосферу. Тяга при работе этих двигателей возникает за счет разности количеств движения (произведения массы на скорость), выходящего из выпускной системы газовоздушного потока и входящего в приемное устройство ГТД воздуха. Тяга направлена при этом в сторону, противоположную направлению истечения газов, т. е. является реактивной. Нетрудно представить себе, что для увеличения тяги реактивного двигателя необходимо увеличить разность количеств движения, т. е. на выходе из ГТД произведение массы на скорость должно значительно превышать такую же величину на входе. Решению этой задачи служат все элементы конструкции ГТД. Существуют три типа газотурбинных двигателей: турбореактивные, турбореактивные двухконтурные и турбовинтовые. Рассмотрим принцип работы каждого типа двигателя. studfiles.net Газотурбинный двигательГазотурбинный двигатель успешно применяется в танках и авиации. К сожалению, ряд конструктивных ограничений не позволяет использовать эту прогрессивную конструкцию в качестве силовой установки для легкового автомобиля. Преимущество двигателей этого типа в том, что у них самая большая удельная мощность среди существующих силовых установок, относящихся к двигателям внутреннего сгорания, до 6 кВт/кг. Кроме того, газотурбинный двигатель может работать на различных видах жидкого топлива, а не только на бензине или дизеле. История создания газотурбинного двигателяПервая газовая турбина была разработана в 1519 году. Она существенно отличалась от современных устройств и применялась в "сфере малой механизации". Турбина вращала вертел, предназначенного для жарки мяса. Использовалась газовая турбина и для приведения в движение повозки изобретателя Джона Барбера. Один из первых газотурбинных двигателей для танков разработала компания BMW в 1944 году. Он был опробован на самоходной установке "Пантера" В 1950 году компанией «Rover» был разработан газотурбинный двигатель, предназначенный для автомобилей. В результате появилась экспериментальная модель гоночного автомобиля «JET1». Двигатель машины был расположен позади сидений, по бокам монтировались воздухозаборники, а на верхней задней части находились отверстия для выхода выхлопных газов. Скорость вращения турбины достигала 50 тысяч оборотов за 1 минуту. В качестве топлива использовался бензин, парафиновое масло и дизельное топливо. Максимальная скорость, с которой могла двигаться машина, составляла 140 км/ч. Из-за значительного расхода топлива автомобили с газотурбинным двигателем не пользовались особым спросом. Единственный случай применения газотурбинного двигателя в конструкции мотоцикла - MTT Y2K Turbine Superbike с ДВС Rolls-Royce-Allison Model 250 Модернизировав устройство и сконструировав модель «BRM», копания «Rover» приняла участие в гоночных соревнованиях 1963 года и установила рекорд: машина разгонялась до скорости 229 км/ч. Позже в аналогичных соревнованиях участвовали и другие автомобильные производители. Например, компания «Howmet» выпустила модель «TX», которая работала на газотурбинном двигателе и неоднократно становилась гоночным фаворитом. Единственная в истории модель серийного автомобиля с газотурбинным двигателем, предназначенного для передвижения по дорогам общего пользования, была выпущена американским концерном Chrysler в 1963 году. Пятьдесят экземпляров автоьмобля под названием Chrysler Turbine были вручную собраны специалистами итальянского кузовного ателье Ghia. В продажу автомобили не поступали, а были розданы добровольцам, на два года для тестирования. Эксперимент прошёл удачно, но для запуска нового производства требовалась постройка завода по выпуску двигателей нового типа, и концерн Chrysler не рискнул инвестировать большие деньги. В семидесятые годы, когда в США существенно ужесточились экологические нормы, и, вдобавок, начался топливный кризис, взвинтивший цены на нефть компания отказалась от продолжения разработок. Устройство и принцип действия газотурбинного двигателяПопадая в компрессор, воздух подвергается сжатию и нагреванию. Далее он поступает в камеру сгорания, куда также подается и часть топлива. Из-за высокой скорости воздух и топливо воспламеняются при столкновении. Во время сгорания смеси выделяется энергия, которая преобразуется в механическую работу за счет вращения. Часть данной энергии используется для сжатия воздуха в компрессоре. Другая часть поступает в электрический генератор. После этого отработавшие газы отправляются в утилизатор. Достоинства и недостатки газотурбинных двигателейГазотурбинные двигатели во многом превосходят поршневые моторы. Благодаря способности развивать большие обороты устройство отличается высокой мощностью, но при этом имеет компактные размеры. В качестве топлива используют керосин или дизельное топливо. Масса газотурбинного двигателя в 10 раз меньше массы аналогичного по мощности двигателя внутреннего сгорания. Ввиду отсутствия трущихся деталей газовая турбина не требует наличия разветвленной системы охлаждения. Инженеры Chrysler, создавшие единственный мелкосерийный автомобиль с газотурбинным двигателем, опытным путем выяснили, что лучшее топливо для ГТД - обычный керосин Основным недостатком становится повышенный расход топлива, вызванный необходимостью искусственного ограничения температуры газов. Это ограничение связано с тем, что в случае с автомобилем двигатель устанавливается внутри кузова, а не под крылом, как, у самолета, например. Соответственно, температура двигателя не должна превышать 700 градусов. Металлы, устойчивые к таким температурам, имеют очень высокую стоимость. Эта проблема часто вызывает интерес у ученых, и в скором будущем должны появиться газотурбинные двигатели, обладающие хорошими показателями экономичности. Очевидно, это произойдет только в том случае, если будет решена проблема отвода большого количества тепла, что позволит ставить на автомобили "незадушенные" двигатели, в конструкции которых проблема экономичности решена. Среди недостатков также следует отметить высокие требования к качеству атмосферного воздуха и отсутствие возможности торможения двигателем. Двухвальный газотурбинный двигатель, оснащенный теплообменникомЭтот тип двигателей встречается наиболее часто. По сравнению с одновальными аналогами, данные устройства соответствуют более высоким требованиям к динамике автомобилей. Двухвальные агрегаты предполагают наличие специальной (для привода компрессора) и тяговой (для привода колес) турбин, валы которых не соединены. Такие двигатели позволяют улучшить динамические свойства машины и дают возможность сократить количество ступеней в коробке передач. После отказа от массового производства автомобилей с газотурбинными двигателями компания Chrysler уничтожила большую часть тестовых экземпляров, чтобы "турбины не попали на авторазборки" В отличие от поршневых моторов, двухвальные газотурбинные установки предполагают автоматическое возрастание крутящего момента при увеличении нагрузки. Благодаря этому переключение коробки передач требуется значительно позже или вообще не требуется. При равной мощности автомобили с двухвальным газотурбинным двигателем разгоняются быстрее, чем машины с поршневыми моторами. Недостатками данного вида является сложность изготовления, увеличение размеров и веса вследствие наличия дополнительных деталей: теплообменника, газо- и воздухопроводов. Газотурбинный двигатель со свободно-поршневым газовым генераторомНа данный момент газотурбинные двигатели этой конструкции - самые перспективные для строительства автомобилей. Устройство представляет собой блок, объединяющий поршневой компрессор и двухтактный дизель. В средней части находится цилиндр с прямоточной продувкой, внутри которого располагается два связанных между собой специальным механизмом поршня. При схождении поршней происходит сжимание воздуха, и топливо воспламеняется. Сгоревшее топливо способствует образованию газов, которые при высокой температуре и давлении провоцируют расхождение поршней в стороны. Далее через выхлопные окна газы попадают в газосборник. Благодаря наличию продувочных окон в цилиндр проникает сжатый воздух, который способствует очищению от выхлопных газов и подготавливает двигатель к следующему циклу. После этого процесс повторяется. blamper.ru Газотурбинный двигатель - что это? Как устроен и принципе работыГазотурбинный двигатель является разновидностью теплового двигателя, в основе его работы которого не очень простой принцип. А именно, в двигателе газ сначала сжимается, потом нагревается, и после этого, энергия этого газа и «превращается» в механическую работу. Как стало ясно, с первых слов описания такого типа двигателя, все рабочие процессы в потоке движущегося газа происходят, благодаря чему от принципа работы поршневых типов двигателей отличается кардинально. А если говорить простым языком, то, как же работает газотурбинный двигатель? Итак, если более подробно рассматривать процесс работы газотурбинника, то следует выделить несколько шагов, которые описывают в соединении в механическую работу сложный процесс преобразования энергии сжатого газа. И что это за этапы? * Итак, подача воздуха, а в дальнейшем и топливно-воздушной смеси. В сжатом виде атмосферный воздух из компрессора попадает в камеру сгорания. Куда и поступает топливо, в итоге получаем топливную смесь, которой выделяется очень много энергии во время процесса сгорания. * Далее идёт преобразование. Оно начинается после того, как и топливно-воздушная смесь преобразуется в энергию в процессе сгорания, и необходимо, чтобы ее преобразовать в механической действие, работу. Происходит это благодаря вращению специально предназначенных «лопаток» с помощью струй газа, которые и получаются под большим давлением после горения смеси. * Разделяется работа. А именно, следующим образом - часть полученной механической работы, которую получаем от энергии топливной смеси, идёт в компрессоре на сжатие воздуха для последующей подачи, а остальная часть энергии передается на приводимое устройство силового агрегата. Как раз та работа, которую и получает приводимый агрегат и есть полезная работа! Кстати, газотурбинный мотор считается по праву двигателем, который обладает наибольшей удельной мощностью, среди остальных типов ДВС. В качестве топлива к газотурбинному двигателю можно выступить почти любое горючее: керосин, дизельное топливо, бензин, природный газ, мазут, водяной газ, спирт, судовое топливо, и даже мелкий уголь! Принцип работы газотурбинного двигателяЧтобы получить высокое КПД в тепловом двигателе, нужно добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, однако не всегда можно достичь это. Препятствия кроются не в способностях материалов, из которых выполнен двигатель (это может быть никель, магний, сталь, сплавы, керамика и прочие) которые сами по себе выдерживают большие температуры и давление. Инженеры очень большое количество трудов направили на то, чтобы удачно отводить тепло от турбины и применять его там, где необходимо это. Можно смело сказать, что работа их была проведена не зря, ибо в настоящее время, благодаря этим инновационным разработкам, удалось эту цель достичь путем перенаправления выхлопных газов, а точнее их тепла, сжатому воздуху. Этот процесс называется рекуперированием. Это оказался очень успешным подходом, ведь в иначе, тепло выхлопных газов мог бы быть просто утеряно, а таким способом, оно в состоянии выступать в роли источника нагрева сжатого воздуха, перед тем как начнётся процесс дальнейшего сгорания. В итоге, можем смело утверждать, что без данного процесса и специально предусмотренных теплообменников, или рекуператоров, не удалось бы добиться столь высокого значения КПД. Максимальное давление определяется максимальной скорость вращения лопаток турбинных, которое необходимо достигнуть для того, чтобы получить наивысшее значение мощности мотора. Как правило, при этом, чем меньше размеры и вес двигателя, частота вращения его вала должна быть тем выше, для того, чтобы поддерживать максимальную скорость турбинных лопаток. Это в силу их малой инерционности – чем меньше ГТД, то есть газотурбинный двигатель, тем больше вращение вала – чтобы компенсировать меньшие размеры и вес. Об устройстве ГТДЧто насчёт его устройства, то здесь все не так и сложно, как себе можно представить. Газотурбинники состоят из камеры сгорания, где также расположены форсунка и свечи зажигания, для подачи топлива и в камере сгорания получения искры. Турбинное колесо обладает специальными лопатками, и установлено с компрессором на одном валу. Конструкция устройства такого мотора также состоит из: понижающего редуктора, теплообменника, выпускного трубопровода, впускного канала, а также диффузора и сопла. Когда вращается вал компрессора, то его лопастями захватывается воздух, который и поступает во впускной канал. Как компрессором увеличивается скорость движения воздуха до скорости 500 метров в секунду, он его нагнетает в диффузор. Хотя и скорость воздуха на выходе диффузора уменьшается, однако заодно и повышается его давление. Воздух после диффузора поступает в теплообменник, там он нагревается под воздействием тепла отработанных газов и попадает в камеру сгорания. Кроме воздуха, который уже подогрет и сжат, в камеру сгорания непрерывно подается топливо, предварительно распыляясь, с помощью форсунок. Топливо там смешивается с воздухом, там образуется топливная смесь, далее идёт процесс воспламенения этой смеси, с помощью искры, которая производится свечами. В результате этого сгорания, повышается в камере давление, через сопло нагретые газы проходят и направляются в сторону лопаток турбинного колёса, которое и начинает своё движение. Через понижающий редуктор крутящий момент от турбинного колеса передается на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы попадают в теплообменник, где помогают подогревать уже поступивший сжатый воздух и наконец, выходят в атмосферу. Конечно, у ГТД есть куча плюсов, но есть и минусы. Основным из них считается стоимость теплопрочных материалов, с применением которых производится двигатель. Кроме этого сложность работ и необходимая высокая уровень очистки воздуха, который поступает в мотор, также бьют по карману хорошо, однако, не взирая ни на что, и разработка и усовершенствование ГТД уже вовсю проходят не только в нашей стране, но и за границей. Когда-то у них был большой минус – огромная турбояма – то есть, например, у Крайслера Турбайн образца 1963 года! То есть, несмотря на огромную тягу в 576 Н*м, он ждал целых десять секунд, прежде чем начать разгон!!! На такое не в состоянии даже модели у которых тандем из откровенно «тупого» автомата и «провального» турбомотора (с большой «турбоямой»). Но позже крайслеровцы и другие инженеры это доработали, и уже вместо десяти секунд мотор «думал» секунд три. Были помимо Крайслера, такие марки с моделями с ГТД под капотом, как Ровер, Лотус и другие. О типах газотурбинных моторовЧто насчёт типов, то их довольно большое количество, правда, при этом суть их работы абсолютна одна и та же (в отличие от привычных нам поршневых типов, они могут быть бензиновыми, дизельными, атмосферными, турбированными, роторно-поршневыми и т.д.), однако лишь выполнение – может немного различаться. Исходя из типов, ГТД нашёл широкое применение на железнодорожных составах, морских судах, самолетах, вертолетах, автомобилях и даже на танках. Кстати на сегодняшний день остался лишь американский танк Абрамс М1А1, оснащенный газотурбинником. Конечно, советские инженеры также применяли попытки применить газотурбинник на танках, было даже несколько концептов на базе T80, однако почему в дальнейшем все эти разработки свернули.
autosteam.ru Как появился газотурбинный двигатель на автомобиле?Под газотурбинным двигателем подразумевают двигатель внутреннего сгорания, принцип работы которого заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Основная сфера применения такого типа двигателя – это авиация и танковая промышленность. Ввиду определенных технических ограничений газотурбинный двигатель для автомобиля изначально было использовать крайне сложно. Но теперь эта схема запущена и активно внедряется в систему функционала легковых автомобилей. Появление газотурбинного двигателя на автомобиле Принцип работы двигателяАвтомобильный двигатель такого типа представляет собой два агрегата: турбину с компрессией и газогенератор. Основное отличие газогенератора автомобильного двигателя от авиационного заключается в том, что газы после выхода из камеры сгорания попадают в турбину, которая собственно и запускает движение колес автомобиля. Основное преимущество – это наличие теплообменника, который снижает расход топлива и уменьшает шум от отработанных газов. Использование подобной установки компенсирует отсутствие гидротраснформатора и поршневого двигателя. Потому необходимость использования сложных гидромеханических коробок передач отпадает, а также упрощается управление самим автомобилем. Виды газотурбинных двигателейСреди основных видов, используемых при производстве легковых автомобилей, называют два типа двигателей:
Двухвальный газотурбинный двигатель
Принцип работы свободно-поршневого газотурбинного двигателя Особенности конструкции двигателяСреди главных отличий между газотурбинным и поршневым типами двигателей называют отсутствие цикличности. В первом типе сжатие топливной смеси, выделение энергии происходит каждую секунду. Главной движущей силой в работе газотурбинного двигателя являются лопатки. Они имеют такую форму, чтобы увеличить уровень КПД. Сжатие воздуха происходит изначально в лопастном компрессоре, после чего поступает в рабочую зону. И уже здесь впрыскивается топливо.Внутренняя конструкция двигателя представляет собой сложный механизм, где можно заметить два ряда лопаток, один из которых является неподвижным и закреплен на корпусе. Вторые же соединены с валом, в результате чего и происходит их вращение. Подобный вид конструкции объясняется тем, что газу при поступлении требуется опора, которую и выполняют неподвижные лопатки. Общая схема устройства газотурбинного двигателя В газотурбинных двигателях автомобиля применяются два вида турбин: центростремительные и осевые. Тяговая выполняет роль осевой турбины, а компрессорная – центростремительной. Вал компрессора в движение приводит стартер. Газотурбинный двигатель отличается высокой пусковой способностью. Он может принять основную нагрузку уже через пару минут после запуска. Двигатель максимально уравновешен, поэтому рама для поршневого двигателя по массе значительно превосходит раму для газотурбинного. Достоинства и недостатки газотурбинных двигателейЕсли сравнивать их с поршневыми моторами, в плане функционала газотурбинные двигатели их превосходят в разы. Устройство обладает высокой мощностью, потому может развивать большие обороты, однако в результате этого отличается габаритными размерами. Топливным материалом выступают либо керосин, либо дизельное топливо. Однако масса такого двигателя раз в 10 меньше, чем аналогичного по мощности двигателя внутреннего сгорания. В системе газотурбинного двигателя не предусмотрено наличие трущихся деталей, потому система охлаждения в этом случае не требуется.Есть некоторые недостатки, которыми отличается в некоторых случаях газотурбинный двигатель. Расход топлива иногда превышает норму, поскольку оно тратится на искусственное ограничение температуры газов. Металлы, которые устойчивы к подобным температурам, достаточно дорогие. Эта проблема вызывает повышенный интерес у ученых, которые в скором времени планируют разработать более экономически выгодные газотурбинные двигатели. Среди прочих неудобств в использовании газотурбинных двигателей можно назвать высокий уровень шума. Этот двигатель генерирует огромное количество колебаний на низких частотах, что является более восприимчивым для слуха человека. Помимо этого, если традиционные моторы автомобилей можно починить, не имея под рукой сложного оборудования, то газотурбинный двигатель своими руками починить уже не получится. Среди общих плюсов использования можно отметить, что двигатель заводится и набирает обороты при любой температуре, даже в лютый мороз. Также среди преимуществ следует отметить удобство установки на автомобиль. Здесь не нужно сцепление, потому что раскручивание вала происходит при неподвижной тяговой турбине. Это значительно облегчает последующую работу водителя. Перспективы развития и улучшения двигателяСейчас у ученых основной проблемой является разработка способа понижения расхода топлива. Повышение эргономичности может достигаться в случае:
Идея использования теплообменника не является новой. Но ситуация модернизации двигателя в сторону уменьшения размеров, массы двигателя, обеспечения полной передачи тепла от газа к воздуху при минимальных потерях давления. blog-mycar.ru Выходное устройство газотурбинного двигателяЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение конструкции и назначения выходного устройства ГТД. Выходное устройство - часть двигателя, расположенная за силовой турбиной и предназначенная для отвода газов из ее проточной части. Оно должно иметь минимальное гидравлическое сопротивление, обладая при этом высокой стойкостью против коробления, прогара и газовой коррозии. Выходное устройство состоит из наружного и внутреннего оболочек, соединенных стойками. Внутренний конус-обтекатель служит для предотвращения резкого расширения газа за турбиной и плавного перехода потока из кольцевого сечения за турбиной в сплошное за конусом. Выходное устройство также является элементом силовой схемы ГТУ и служит задней опорой ротора силовой турбины. На наружном корпусе выходного устройства имеются:
Угол внутреннего конуса у вершины составляет 30-50 0. Устойчивое разряжение вокруг конуса использовано для организации воздушного охлаждения размещенных в нем подшипников ротора силовой турбины. К заднему фланцу наружной обечайки корпуса выходного устройства крепится поворотный патрубок, который может монтироваться как при правом, так и левом варианте установки двигателя. Детали конструкции выходных устройств работают в условиях обтекания химически активными газами при высокой температуре, достигающей 900 - 1000 К. Поэтому для изготовления деталей выходного устройства используются жаропрочные нержавеющие стали типа 1Х18Н9Т, 0Х18Н12Б или титанового сплава. Порядок выполнения работы 1. Изучение конструкции и назначения выходного устройства газотурбинного двигателя. 2. Эскизирование выходного устройства ГТД и определение его основных геометрических параметров. Контрольные вопросы 1. Для чего служит выходное устройство ГТД? 2. Какие требования предъявляются выходным устройствам ГТД? 3. Из каких материалов изготавливаются элементы выходных устройств? Лабораторная работа №10 Конструктивные схемы газотурбинных двигателейЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение расположения основных узлов ГТД и их силовой взаимосвязи. Основные неподвижные элементы ГТД, воспринимающие силы и моменты, возникающие в процессе работы двигателя, образуют его силовую схему. В ее состав входят корпуса компрессора, камеры сгорания, турбин, корпуса входного и выходного устройств и опор подшипников. При работе ГТД на силовые корпуса действуют газодинамические силы, силы инерции и тяжести. Поэтому к нему предъявляются повышенные требования в отношении прочности и жесткости. Газодинамические силы возникают во входном устройстве, при обтекании лопаток направляющих и сопловых аппаратов компрессора и турбины. Величина газодинамических сил пропорциональна массе воздуха или газа, протекающих по проточной части турбомашин в единицу времени, и разности скоростей потока на соответствующих участках. Вектор газодинамических сил направлен под углом к оси двигателя. Силы, возникающие на направляющих лопатках компрессора и на диффузорном участке камеры сгорания, направлены в сторону входного устройства ГТД. Силы, возникающие на лопатках сопловых аппаратов турбин, направлены в сторону выходного патрубка. Осевые силы вызывают напряжения растяжения или сжатия в силовых корпусах ГТД. Окружные составляющие сил, действующие на корпуса, создают крутящий момент, который также воспринимает судовой фундамент. Число узлов крепления ГТД к судовому фундаменту определяется размерами двигателя, величиной и характером действующих нагрузок. Неравномерность полей скоростей и давлений газового потока вызывают вибрации силовых корпусов, что негативным образом сказывается на ресурсе и надежности ГТД. Окружные составляющие газодинамических сил определяют величины крутящих моментов, действующих в рабочих колесах компрессора и турбин. Осевые составляющие сил, действующие в компрессоре и турбинах, направлены в противоположные стороны. Поэтому соединение роторов компрессора и турбины позволяет уменьшить нагрузку, действующую на радиально-упорный подшипник. Равнодействующая всех осевых сил, воздействующая как на корпуса, так и передаваемая роторами через радиально-упорные подшипники, воспринимается через узлы крепления ГТД судовым фундаментом. Количество радиально-упорных подшипников равно числу роторов. В вертолетных и танковых ГТД , применение которых наиболее вероятно на судах речного флота, используют как двухроторную, так и трехроторную схемы. В двигателях, выполненных по двухроторной схеме, например в двигателях типа ТВ3-117, применяют два радиально-упорных подшипника. Один из них устанавливают на задней цапфе ротора компрессора, в корпусе опоры, расположенной между компрессором и камерой сгорания. Второй радиально-упорный подшипник устанавливают на вале силовой турбины за ее второй ступенью, в корпусе выходного устройства. В этой схеме ротор компрессора и турбины его привода имеют еще два радиальных подшипника. Один из них расположен во входном устройстве, а второй - в корпусе опор, расположенном между турбиной привода компрессора и силовой турбиной. Радиальный подшипник силовой турбины расположен также в корпусе выходного устройства. В трехроторных схемах , в которых имеется компрессоры низкого и высокого давления и соответствующие турбины для их привода, радиально-упорные подшипники расположены между компрессорами. Каждый из этих роторов имеет еще по два радиальных подшипника. Силовая турбины, как и в предыдущем случае, имеет два подшипника, один из которых выполняют радиально-упорным. Порядок выполнения работы
Контрольные вопросы
Список рекомендованной литературы
studfiles.net Входное устройство газотурбинного двигателяЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение конструкции и принципа действия входного устройства газотурбинного двигателя. Входное устройство (ВУ) располагается в передней части двигателя и крепится к переднему фланцу корпуса компрессора. Назначение входного устройства - обеспечение подвода необходимого количества воздуха к компрессору на всех режимах работы двигателя с минимальными аэродинамическими потерями. Входное устройство проектируется без резких поворотов, сужений и расширений. Выбор материала для входного устройства определяется его температурой: при t<525 К применяется алюминиевые сплавы, при525< t <775 К -листовой титановый сплав, при t >775 К нержавеющая сталь Х18Н9Т. Входное устройство двигателя ТВ3-117 , выполненное литьем из алюминиевого сплава, представляет собой две оболочки, соединенные между собой 4 стойками. На наружном корпусе ВУ против стоек расположены четыре фланца. На верхнем фланце крепится коробка приводов, на нижнем фланце - масляный агрегат, к правому и левому фланцам - трубки подвода горячего воздуха. В правой нижней части корпуса имеются четыре бобышки для крепления коробки электросистемы двигателя. В вертикальных стойках выполнены каналы, через которые проходят валы пускового устройства, привода маслоагрегата, а также каналы подвода и слива масла. Внутри горизонтальных стоек залит воздушный коллектор из стальных трубок, по которым подводится горячий воздух для обогрева корпуса и лопаток входного направляющего аппарата компрессора и входного обтекателя (кока) двигателя. Кок состоит из профилированной наружной стенки и внутреннего дефлектора, изготовленных из алюминиевых сплавов, и крепится к входному устройству посредством шпилек. При включенной противообледенительной системе в полость между наружной стенкой и дефлектором кока поступает горячий воздух, омывает изнутри стенку и через отверстия в коке выходит в проточную часть воздухозаборника, предотвращая образование наледи. Обтекаемая форма кока обеспечивает безударный подвод воздуха к компрессору. На задней части входного устройства расположен входной направляющий аппарат компрессора, который состоит из отдельных поворотных лопаток, установленных с помощью осей в наружной и внутренней оболочках входного устройства. Изменение угла установки этих лопаток обеспечивает уменьшение аэродинамических потерь на долевых режимах работы ГТУ и предотвращает возникновение помпажа в компрессоре. Порядок выполнения работы
Контрольные вопросы
Лабораторная работа №4 studfiles.net |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Газотурбинный двигатель – это разновидность теплового двигателя, который работает по не очень простому принципу. Газ в двигателе сжимается и нагревается, после чего, энергия этого газа преобразуется в механическую работу. Как Вы могли заметить, с первых слов описания данного двигателя, все процессы происходят в потоке движущегося газа, что кардинально отличается от принципа работы поршневого двигателя.
Именно та работа, которая передается на приводимый агрегат и называется полезной! К слову, газотурбинный двигатель по праву считается двигателем, имеющим наибольшую удельную мощность, среди остальных двигателей внутреннего сгорания. Топливом к газотурбинному двигателю можно считать практически любое горючее: керосин, бензин, мазут, природный газ, дизельное топливо, судовое топливо, водяной газ, спирт, а также мелкий уголь!
Максимальная скорость вращения турбинных лопаток, определяет максимальное давление, которое нужно достигнуть для получения наивысшей мощности двигателя. При этом, как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала, для поддержания максимальной скорость турбинных лопаток.
Основным недостатком газотурбинного двигателя является стоимость тепло прочных материалов, из которых должен быть построен двигатель. Помимо этого сложность работ и высокая степень очистки воздуха, который попадает в двигатель, также хорошо бьют по карману, но не смотря ни на что, разработка и усовершенствование газотурбинного двигателя уже вовсю проходит как в нашей стране, так и за границей.
