Газотурбинные двигатели малой мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Преимущества транспортных газотурбинных двигателей малой мощности [1]

газотурбинный двигатель малый мощность

1. Более плавная работа по сравнению с поршневыми двигателями вследствие того, что рабочие элементы двигателя совершают чисто вращательные движения, благодаря чему отсутствуют вибрации двигателя и крутящий момент на валу более равномерный при всех числах оборотов двигателя.

2. Более простая конструкция большинства составных элементов двигателя и значительно меньшее число таких элементов. Обычно в ГТД число деталей составляет ј-1/6 числа деталей шестицилиндрового бензинового двигателя одинаковой мощности.

3. Относительно малые вес и габариты. Вес простого ГТД составляет всего 1/4 - 1/6 веса поршневого двигателя равной мощности.

4. Отсутствие муфты сцепления и коробки передач. В двигателе со свободной турбиной мощность, развиваемая турбиной на холостом ходу при нескольких тысячах оборотов вала в минуту, недостаточна для трогания автомобиля с места при освобождении ручного тормоза, поэтому необходимость в муфте сцепления отпадает. Свободная турбина выполняет функции автоматической коробки передачи в таком двигателе. Однако, необходима установка вспомогательной низшей зубчатой передачи и передачи заднего хода.

5. Более простое управление.

6. Полное сгорание топлива. И низкое содержание вредных веществ в продуктах сгорания.

7. Отсутствие системы водяного охлаждения. Используется воздушная система охлаждения

8. Отсутствие постоянно действующей системы зажигания. Необходима лишь воспламенительное устройство для запуска камеры сгорания.

9. Очень низкие расход масла. Из-за того, что в ГТД меньше подшипников и зубчатых передач. Расход масла в 30-40 раз меньше, чем в бензиновом двигателе.

10. Малые рабочие давления. Малые ГТД, имеющие обычные величины степеней повышения давления, лежащие в пределах от 3.5 до 5.5, с ТА или без него работают при сравнительно низких давлениях воздуха порядка 4.2-7 атм.

11. Более простой запуск и прогрев двигателя.

12. Значительно меньший уход при эксплуатации.

13. ГТД может вполне удовлетворительно работать на более дешевых сортах топлива по сравнению с автомобильными дизельными топливами.

14. Благоприятное изменение крутящего момента двигателя в зависимости от частоты вращения вала двигателя (крутящий момент возрастает при уменьшении частоты вращения).

2. Технико-экономические показатели транспортных газотурбинных двигателей

К основным технико-экономическим показателям транспортных двигателей относятся: экономичность, масса, габаритные размеры, надежность действия, срок службы и маневренность.

Топливную экономичность ГТД колесных машин оценивают по абсолютным и удельным расходам топлива и их зависимости от частоты вращения вала ГТД и нагрузки на установившихся и неустановившихся режимах. Современные лучшие образцы опытных ГТД автомобилей и гусеничных машин имеют расходы топлива 235-270 г квт.ч. Кроме удельного расхода топлива показателями топливной экономичности автомобильных двигателей являются путевой расход топлива (в литрах на 100 км) и объем перевозок на 1 л топлива в тоннокилометрах на литр.

Колесные машины имеют малые удельные массы в ограниченном объеме. Удельная масса двухвальных ГТД без теплообменника колеблется в пределах 0,35 - 1,65 кг квт. Теплообменник увеличивает массу на 50 - 80 %. С ростом мощности удельная масса, как правило, уменьшается.

Габаритный объем ГТД колесных и гусеничных машин определяется как объем параллелепипеда, грани которого касаются крайних точек контура двигателя. У выполненных АГТД удельный габаритный объем двигателя без теплообменника составляет 0,45 - 1,5 л /кВт, с теплообменником увеличивается на 50 - 150 %.

Опыт эксплуатации ГТД колесных и гусеничных машин показывает, что межремонтный пробег даже у опытных ГТД достигает нескольких тысяч часов. У серийных ГТД межремонтный ресурс должен составлять 1-20 тыс. ч.

Под маневренностью транспортной силовой установки понимается её способность быстро пускаться и переходить на любой режим работы, обеспечивающий необходимую скорость, маневрирование и безопасность движения судна, локомотива, автомобиля и т.д.

Маневренность характеризуется такими показателями, как время ввода установки в действие при различных внешних условиях, т.е. время её приведения в состояние холостого хода, начиная с которого можно немедленно развить мощность; время набора полной мощности с момента выхода установки на частичный режим; время полного торможения и перехода с переднего хода на задний (реверса).

Маневренность автомобильных двигателей характеризуется в дополнении к указанным выше показателям способностью обеспечивать большой крутящий момент на валу нагрузки при трогании с места транспортного средства. Маневренность ГТД при этом определяет тяговая характеристика, т.е. зависимость крутящего момента от частоты вращения выходного вала.

3. Особенности и схемы транспортных ГТД малой мощности

Транспортные ГТД малой мощности применяются в основным для внедорожных самосвалов, автомобилей различного назначения, колесных и гусеничных тягачей, автобусов, тракторов.

Особенности транспортных ГТД малой мощности

ГТД должен иметь низкие удельные расходы топлив не только на номинальном расчетном режиме, но и на режимах частичных нагрузок. Это показано на рисунке, на котором в относительных величинах представлена характеристика изменения удельного расхода топлива g_e двигателя AGT-1500 американской фирмы ?Авко Лайкоминг? (Avco Lycoming). Как видно из рисунка, g_e на режимах, близких к Ne _max минимальный. Такая

характеристика получена за счет выбора степени повышения давления в компрессоре ( р_к= =15,0), превышающей на номинальном режиме оптимальное значение для заданной температуры цикла, а также за счет применения теплообменника.

Рис. 1. Зависимость удельного расхода топлива от загрузки двигателя AGT-1500.

Оптимум р_к, а значит и оптимум КПД двигателя обеспечивается на режиме =0,75..0,60)

Ne_max , что и требуется для транспортного ГТД, поскольку, как показывает опыт эксплуатации транспортных гусеничных машин, наиболее вероятная загрузка двигателя для типичных условий эксплуатации находится в пределах (0.6..0.8)Ne_max. Топливно-экономическая характеристика двигателя AGT-1500 обеспечивает работу транспортной машины в диапазоне мощностей от 0,5 до 1,0 Ne_max с низкими удельными расходами топлива . Другой, не менее важной особенностью транспортных ГТД, как и поршневых, является способность развивать тормозную мощность, т.е. обеспечивать в необходимых случаях возможность тормозить двигателем. Достигается это за счет специальных устройств в конструкции ГТД. К таким устройствам относятся регулируемый сопловой аппарат силовой турбины (РСА) или муфта, соединяющая в определенные моменты ротор силовой турбины с ротором турбокомпрессора. Необходимо отметить, что муфта может быть либо автоматической, т.е. замыкающей всегда силовую турбину на турбокомпрессор при вполне определенном соотношении частот вращения этих роторов (nтк/nт.с <= а), либо управляемой в ручную.

Наибольшее распространение в отечественных и зарубежных транспортных ГТД получил регулируемый сопловой аппарат силовой турбины (РСА). Тормозная мощность, развиваемая двигателем с РСА, достигает для ГТД с умеренной температурой цикла (T<970 C) примерно 50% от максимальной мощности при максимальной частоте вращения. На рисунке 2 представлена схема работы РСА при торможении двигателем, а также изображены соответствующие треугольники скоростей потока газа на лопатках силовой турбины.

Рис. 2 Схема работы РСА при торможении двигателем.

На рисунке 2 приняты следующие обозначения: c1 и w1 - скорости газового потока на входе в рабочее колесо турбины в абсолютном и относительном движении до торможения двигателем с помощью РСА; c2 и w2 - скорости газового потока на выходе из рабочего колеса турбины в абсолютном и относительном движении до торможения и в момент торможения двигателем с помощью РСА; c1' и w1' - скорости газового потока на входе в рабочее колесо турбины в абсолютном и относительном движении в момент торможения двигателем с помощью РСА; u - окружная скорость колеса турбины. Тормозной момент на валу силовой турбины возникает за счет разворота РСА в положение, при котором поток газа на выходе из РСА направлен в спинки лопаток силовой турбины, что обусловливает появление тормозного момента. Кроме того, при развороте РСА в тормозное положение уменьшается реактивная сила, вращающая колесо турбины, так как уменьшается разность скоростей w2 - w1' за счет роста w1' , так как w1' >w1.

Разворот РСА в тормозное положение производит водитель машины в необходимый момент времени. Торможение машины двигателем, т.е. с помощью РСА, сопровождается некоторым ростом (примерно на 60-100 С) температуры газа на лопатках силовой турбины, что происходит за счет нарушения обтекания газом профилей лопаток и торможения потока газа. Учитывая, что при эксплуатации транспортной гусеничной машины тормозные режимы по времени составляют примерно 5-20% от общего ресурса работы двигателя, а отдельные торможения по времени составляют 5-10 с, необходимо при расчете силовой турбины на прочность учитывать повышение температуры газа при торможении двигателем.

К особенностям транспортных ГТД, следует отнести их способность длительно работать в условиях высокой запыленности воздуха, достигающей на входе в воздухоочиститель силовой установки примерно 2,0-2,5 г/м3, а иногда и выше. Экспериментально установлено, что для защиты от пылевого изнашивания элементов проточной части ГТД (лопаток компрессоров, диффузоров и турбин) достаточны следующие степени очистки воздуха: з=97..98% - для двигателей с центробежным компрессорами (колесо компрессора стальное); з=98,5..99% - для двигателей с осевыми и

осецентробежными дозвуковыми компрессорами (лопатки осевых ступеней стальные). Вместе с тем, как показывают эксперимент и опыт эксплуатации машин в условиях запыленного лессовой пылью воздуха, при степени очистки з=97..98% на лопатках соплового аппарата (СА) турбины компрессора при температуре газа более 900 С образуются пылевые отложения, перекрывающие со временем межлопаточные каналы и

нарушающие нормальную работу двигателя. Эти отложения состоят из мелких (1-2 мкм) частиц спекшийся пыли. Работа двигателя на запыленном воздухе с большим содержанием кварцевых частиц на приводит к образованию отложений в двигателе. Экспериментально также установлено, что при повышении степени очистки воздуха от 96 до 99% интенсивность образования отложений на лопатках СА турбины снижается незначительно,

что объясняется наличием в очищенном воздухе большого содержания мелких частиц пыли. При дальнейшем повышении степени очистки воздуха интенсивность отложений начинает медленно снижаться, однако резкое уменьшение отложений происходит при степени очистки воздуха в воздухоочистителе з=99,7..99,8 %, т.е. практически при абсолютной (стопроцентной) очистке воздуха от пыли.

Рис. 3 Зависимость интенсивности образования пылевых отложений q на лопатках СА турбины ГТД (в относительных величинах) от коэффициента пропуска пыли воздухоочистителя е (е =1-з ).

В настоящее время могут быть созданы воздухоочистители для ГТД со степенью очистки воздуха з =100%, но для этого, как показывает опыт, требуется объемы в три-четыре раза больше, чем для воздухоочистителя со степенью очистки з =98%.

Стопроцентная очистка воздуха от пыли может быть получена в двухступенчатом (первая ступень инерционная - циклонная камера, вторая - барьерная) воздухоочистителе, требующем периодического обслуживания (очистки) второй ступени (например, бумажной кассеты). Время между обслуживаниями зависит от объемов, отведенных под двухступенчатый воздухоочиститель, запыленности воздуха, материала второй ступени и может составлять для реальных условий 5-15 ч, что существенно ухудшает эксплуатационные качества транспортной машины, а в ряде случаев является неприемлемым.

Очистка воздуха от пыли в одноступенчатом инерционном воздухоочистителе с з=97..98 % при эксплуатации в специфических условиях (пыль с низкой температурой плавления) не решат проблемы пылевых отложений для транспортного ГТД, а применение двухступенчатого воздухоочистителя с з=100 % требует наличия больших объемов и приводит к резкому ухудшению эксплуатационных качеств транспортной машины. Поэтому решение проблемы пылевых отложений в проточной части транспортного ГТД без теплообменника при наличии одноступенчатого инерционного воздухоочистителя с з=97..98 % осуществляется за счет применения специальных устройств и систем, предотвращающих образование пылевых отложений на его элементах или периодически их устраняющих. Такое решение является рациональным.

Исследованиями транспортного ГТД с пластинчатым стационарным теплообменником и воздухоочистителем с з =98..99 % в условиях запыленного воздуха выявлено наряду с отложениями пыли в проточной части, характерными для ГТД без теплообменника и описанными выше, засорение любой (кварцевой и лессовой) мелкой пылью каналов матрицы теплообменника (на глубину примерно 2-3 мм) со стороны входа в них газа после силовой турбины. Это приводило к недопустимому ухудшению параметров двигателя и возникновению помпажа уже на десятом часу работы. Таким образом, работоспособность транспортного ГТД с пластинчатым стационарным теплообменником, эксплуатируемого в условиях высокой запыленности воздуха и не имеющего специальных

устройств для периодического удаления отложной пыли с матрицы теплообменника, практически может обеспечивать только при стопроцентной очистке воздуха. Для обеспечения работоспособности транспортного ГТД со стационарным теплообменником при меньшей степени очистки воздуха (например, примерно 99%) необходимы поиск и разработка мероприятий, обеспечивающих предотвращение или периодическое удаление отложений пыли с матрицы теплообменника.

Работа ГТД транспортной машины характеризуется частотой сменой режимов, что определяется дорожными условиями.

При движении по пересеченной местности водитель меняет режим работы двигателя в среднем через 12-15 с, воздействуя на педаль управления двигателем и РСА. Возможны и еще более тяжелые условия движения. Транспортный ГТД должен сохранять свою работоспособность при такой частоте смене режимов работы. При этом сам процесс перемены режима работы двигателя должен происходить быстро. Так, процесс перевода двигателя из тягового режима в тормозной за счет поворота РСА в тормозное положение составляет примерно 0,2-0,3 с, что установлено из условия получения возможно большей скорости движения транспортной машины на местности.

Двигатель должен обладать хорошей приемистостью, т.е. временем увеличения частоты вращения турбокомпрессора от nтк.м.г., соответствующий режиму ?малый газ?, до максимальной - не более 4,5-6,0 с; большее значение приемистости приводит к снижению средней загрузки двигателя, а следовательно, к снижению средней скорости движения по местности и увеличению расходов топлива на 1 км пути. Экспериментальные данные показывают, что все время (%) работы ГТД в транспортной машине распределяется на различных режимах следующим образом:

Максимальная мощность - 25-28

Холостой ход - 15

Промежуточные режимы - 57-60

В том числе переходные - 12-15

Для транспортного ГТД при температуре окружающего воздуха - 40С время подготовки двигателя к пуску и пуск его составляет 3-5 мин, что объясняется возможностью применения маловязкого масла (отсутствуют ударные и знакопеременные нагрузки в опорах) и отсутствием таких пар трения, как у поршневых двигателей (ПД). Необходимо отметить, что время самого процесса пуска ГТД (запрограммированный пуск) по сравнению с временем пуска ПД больше и составляет примерно 25-60 с. Время же пуска подготовленного к пуску ПД составляет примерно 3 с.

В последнее время к транспортным двигателям предъявляются требования по снижению уровня токсичности отработавших газов, которые зависят от процентного содержания оксида углерода, оксида азота и альдегидов, что, в свою очередь, определяется количеством кислорода, находящегося в камере сгорания двигателя при горении, т.е. коэффициентом избытка воздуха, а также рядом других факторов. Например, в отработавших газах бензиновых двигателей в условиях эксплуатации содержится 0,02-1% оксида углерода по объему, в отработавших газах быстроходных дизелей его содержания в два-три раза меньше, что объясняется большим коэффициентом избытка воздуха и более низкой температурой сгорания (бдиз=1,3..1,7; ббенз=1,0 и Тzдиз=1800-2200 К, а Тzбенз=2300..2700 К). Оксиды азота в отработавших газах составляет 0,001-0,2 % по объему. Образованию оксидов азота способствует повышение температуры газа. В связи со спецификой принципа работы ГТД (расход воздуха двигателем в три-четыре раза больше, чем у дизеля равной мощности) отработавшие газы его обладают значительно меньшей токсичностью, хотя над снижением необходимо работать и дальше.

В настоящее время за рубежом работы по ТГТД в основном свелись к разработке малоразмерных керамических ГТД мощностью до 100 кВт. По керамическим ГТД наибольших успехов добилась Япония в государственном проекте ANRE/PEC - “Разработка керамических газовой турбины и камеры сгорания для автомобильного ГТД мощностью 100 кВт” с максимальной температурой цикла 1350С. К моменту окончания работ (1997г.) двигатель проработал 162 часа с керамическими турбиной и камерой сгорания. Полученная эффективность (КПД) составила 35,6 %. Продолжаются работы по совершенствованию керамических материалов._

В отличие от Запада с его умеренным климатом, в России, обладающей огромными, в основном неосвоенными, территориями Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера с низкими среднегодовыми температурами имеются значительные проблемы эксплуатации транспортных средств с мощными двигателями. В частности дизели из-за проблем запуска при низких температурах часто не глушатся в течение всего зимнего периода. В 220 результате вырабатывается ресурс и идет существенный перерасход топлива. Дополнительные трудности создает загустевание дизельного топлива при температурах, близких к -40С. Отсюда очевидно, что ГТД с его легким и надежным пуском при низких температурах и многотопливностью может иметь серьезные перспективы для северного применения.

При рассмотрении топливной экономичности ТГТД следует учитывать также перспективы ее улучшения. Как известно, наибольшие надежды в этом направлении связаны с внедрением керамики. Однако очевидно, что это достаточно долгосрочные планы и они потребуют разработки нового двигателя. Что касается перспектив снижения расхода топлива двигателей ГАЗ, то они вполне реальны, быстро выполнимы и реализуемы без какого либо существенного изменения конструкции двигателя. Собственно об этом говорит проектное значение удельного расхода топлива ТГТД ГАЗ-903 (gе=0,24 кг/кВт. час). На сегодняшний день эта цифра может быть также существенно снижена за счет использования новейших технологий в разработке турбомашин, показатели которых на двигателях ГАЗ уже отстают от современного уровня.

Неоднократно проводимый сравнительный анализ стоимости ТГТД и дизеля показывает, что при ограниченных масштабах производства (до 10000- 20000 шт. в год) стоимость ТГТД мощностью 250 - 400 кВт и более будет сравнима со стоимостью дизеля.

4. Автомобильный двигатель фирмы Chrysler A-831

Двигатель «четвёртого покjления» A-831, подготовленный к серийному выпуску в 1962 году, имел не один, а два теплообменника диаметром 38 см, установленные по бокам от турбинного узла, при этом A-831 весил меньше, чем его предшественник (186 кг против 204 кг). Двигатель собирался на литой пространственной раме из чугуна, которая была покрыта изнутри теплоизоляционными матами и тонким экраном из жаропрочного сплава. Внутри рамы монтировался турбинный узел и понижающий редуктор. В переднее окно рамы монтировался компрессор, в боковые окна -- теплообменники. Их кожухи служили опорами впускных и выпускных коллекторов. Приводы регенераторов, магнето, топливного и масляного насосов располагался вне пространственной рамы, под впускным коллектором, а камера сгорания -- под турбинным узлом.

Рис. 4. Вид двигателя в разрезе; впускная и выпускная системы; автомобиль полностью

Скорость вращения компрессора на холостом ходу, в зависимости от выбранного режима автоматической коробки передач, составляла 18 000или 22 000 об/мин, максимальная -- 44 600 об/мин. Скорость вращения свободной турбины могла изменяться от нуля до 45 700 оборотов в минуту, а понижающий редуктор уменьшал скорость вращения первичного вала КПП в 9,76 раз до максимум 4 680 об/мин. Максимальная мощность в 130 л. с. достигалась на относительно высоких оборотах (3 600 об/мин на выходе редуктора), максимальный крутящий момент в 576 Н·м -- при нулевых оборотах на вторичном валу.

Режим работы двигателя управлялся как плавно, автоматом подачи топлива и углом установки лопаток соплового аппарата, так и ступенчато -- отсечкой подачи топлива. Когда водитель убирал ногу с педали газа, автоматика отключала подачу топлива, но двигатель продолжал работать: некоторое время вращение поддерживала остаточная тепловая энергия, накопленная роторами теплообменников. При последующем нажатии на педаль газа подача топлива восстанавливалась. В отличие от авиационных турбомоторов свеча, поджигавшая топливо, была подключена к магнето постоянно, поэтому горение возобновлялось почти без задержки. Смазка машинным маслом, привычная в поршевых двигателях, в ГТД могла применяться только в относительно слабо нагруженных узлах (редукторы, привод регенератора). В подшипниках турбинных валов, работавших при высоких оборотах и высоких температурах, конструкторы применили газовые подшипники. Воздух в зазоры подшипников, толщиной в несколько микрон нагнетался самими турбинами.

Производитель утверждал, что топливом турбинного автомобиля может служить «всё, что течёт и горит», в рекламных шоу машины работали на арахисовом масле, текиле и духах «Шанель». Инструкция к серийным машинам рекомендовала к использованию только дизельное топливо, осветительный и авиационный керосин и неэтилированный бензин с любым октановым числом. Этилированный бензин (основное моторное топливо 1960-х годов) допускался лишь при крайней необходимости из-за вероятности повреждения турбин и склонности к образованию паровых пробок в топливной магистрали. Лучшим же выбором, по мнению инженеров «Крайслер», был обычный керосин. При работе на «чистом топливе» (керосин, низкооктановый неэтилированный бензин) ГТД «четвёртого поколения», как и его предшественники, имел приемлемые для своего времени показатели выброса СО и CH, при аномально высоком уровне оксидов азота. Этот недостаток, свойственный именно газотурбинным двигателям, инженеры «Крайслер» не смогли исправить и в 1970-е годы.

Литература

1. А. Джадж: «Газотурбинные двигатели малой мощности», 1963

2. Меркулов В.И., Кустарев Ю.С. Энергетические машины и установки: (учебное пособие) для студ., обуч. по спец. 190201 (150100) - «Автомобиле- и тракторостроение» и 101400 (140503.65) - «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели». - М., 2011.

3. Chrysler Corporation. Gas Turbine Vehicles by Chrysler Corporation

Размещено на Allbest.ru