Газотурбинные двигатели
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Государственное образовательное
учреждение
Высшего профессионального образования
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
(ВолгГТУ)
Кафедра "Автомобильный
транспорт"
Семестровая работа
по дисциплине "Техника
транспорта"
на тему: "Газотурбинные
двигатели"
Выполнил: студент группы АТ-214 Метлев В.С.
Проверил: доцент, кандидат технических наук Липатов Е.Ю.
Волгоград 2015
Содержание
Введение
1. Принцип действия (рабочий цикл) газотурбинного двигателя
2. Устройство газотурбинного двигателя
3. Преимущества и недостатки газотурбинного двигателя по сравнению
с поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС)
3.1 Достоинства газотурбинных двигателей
3.2 Недостатки газотурбинных двигателей
Список использованной литературы
Введение
Газотурбинный автомобиль Ford Firebird 3 с
225-сильным двигателем (1961)
В конце XIX в. в книге "Самодвижущиеся экипажи",
изданной в 1898 г. в Петербурге, русский автомобилист Н. Песоцкий приводит
конструкцию газовой турбины, считая ее перспективной в качестве автомобильного
двигателя. В более поздних трудах по автомобильным двигателям наиболее
дальновидные авторы (П. Орловский, Н. Бриллинг и др.) дают сведения по газовым
турбинам и указывают их возможные преимущества для применения в качестве
автомобильного двигателя. Несмотря на то, что идея газовой турбины высказана
еще Леонардо да Винчи в 1500 г., а патент на нее был взят Джоном Барбером в
1791 г., практически первые опытные газовые турбины появились только к концу
XIX в. В 1897 г. инженер русского морского флота П. Кузьминский построил первую
опытную парогазовую турбину. Затем в 1907 г. французские конструкторы Арменго и
Лемаль построили действующую газовую турбину.
Опытные газовые турбины начали строить в XX в. К 30-м годам
они были усовершенствованы и начали применяться в качестве двигателей в
промышленности.
Первый проект газотурбинного автомобиля был предложен в 1906
г: в Англии Нельсоном, но, конечно, в то время не могло быть и речи о постройке
машины, так как газовая турбина не получила еще оформления даже в стационарном
варианте. Только усовершенствование газовых турбин в турбовинтовой и реактивной
авиации позволило приступить к опытам постановки их на автомобилях, это было
сделано после второй мировой войны.
Первые опыты постройки газотурбинных установок для
автомобилей провела английская фирма Ровер. Свои работы она опубликовала в 1946
г. Позднее начали сообщать о своих опытах постановки газовых турбин на
автомобилях другие фирмы, представившие газотурбинные автомобили в 1950-х
годах, но указывавшие, что опыты они начали в то же время, что и фирма Ровер,
но не сообщали об этом до тех пор, пока не построили пригодных для испытаний
машин. Сейчас работы по созданию газотурбинных автомобилей ведут почти все
крупные заводы мира.
газотурбинный двигатель автомобильный транспорт
1. Принцип
действия (рабочий цикл) газотурбинного двигателя
Газотурбинный двигатель (ГТД), тепловой двигатель, в котором
газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа
преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс
ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном
давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объёме.
В 1791 английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил
идею создания ГТД с газогенератором, поршневым компрессором, камерой сгорания и
газовой турбиной. Русский инженер П.Д. Кузьминский в 1892 разработал проект, а
в 1900 построил ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении,
предназначенный для небольшого катера. В этом ГТД была применена
многоступенчатая газовая турбина. Испытания не были завершены из-за смерти
Кузьминского. В 1900-04 немецкий инженер Ф. Штольце пытался создать ГТД, но
неудачно. В 1906 французский инженер Р. Арманго и Ш. Лемаль построили ГТД,
работавший на керосине, со сгоранием топлива при постоянном давлении, но из-за
низкого кпд он не получил промышленного применения.
В 1906 русский инженер В.В. Караводин спроектировал, а в 1908
построил бескомпрессорный ГТД с 4 камерами прерывистого сгорания и газовой
турбиной, который при 10 000 об/мин развивал мощность 1,2 квт (1,6 л. с.). В
1908 по проекту немецкий инженера Х. Хольцварта был построен ГТД прерывистого
горения. К 1933 кпд ГТД с прерывистым горением составлял 24%, однако они не
нашли широкого промышленного применения.
В России в 1909 инженер Н.В. Герасимов получил патент на ГТД,
который был использован им для создания реактивной тяги (турбореактивный ГТД);
в 1913 М.Н. Никольской спроектировал ГТД мощностью 120 квт (160 л. с.) с
трёхступенчатой газовой турбиной; в 1923 В.И. Базаров предложил схему ГТД,
близкую к схемам современных турбовинтовых двигателей; в 1930 В.В. Уваров при
участии Н.Р. Брилинга спроектировал, а в 1936 построил ГТД с центробежным
компрессором. В 30-е гг. большой вклад в создание авиационных ГТД внесли
советский конструктор А.М. Люлька (ныне академик АН СССР), английский изобретатель
Ф. Уиттл, немецкий инженер Л. Франц и др. В 1939 в Швейцарии был построен и
испытан ГТД мощностью 4000 квт (5400 л. с.). Его создателем был словацкий
учёный А. Стодола. В 1939 в Харькове, в лаборатории, руководимой В.М.
Маковским, изготовлен ГТД мощностью 736 квт (1000 л. с.). В качестве топлива
использован газ, получаемый при подземной газификации угля. Испытания этого ГТД
в Горловке были прерваны Великой Отечественной войной. Большой вклад в развитие
и совершенствование ГТД внесли советские учёные и конструкторы: А.Г. Ивченко,
В.Я. Климов, Н.Д. Кузнецов, И.И. Кулагин, Т.М. Мелькумов, А.А. Микулин, Б.С.
Стечкин, С.К. Туманский, Я.И. Шнеэ, Л.А. Шубенко-Шубин и др. За рубежом в 40-е
гг. над созданием ГТД работали фирмы "Юнкерс", "БМВ"
(Германия), "Бристол Сидли", "Роллс-Ройс" (Великобритания),
"Дженерал электрик" и "Дженерал моторс" (США),
"Рато" (Франция) и др.
Наибольшее промышленное применение получили ГТД с непрерывным
сгоранием топлива при постоянном давлении. В таком ГТД (рис. 1) сжатый
атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся
топливо, которое, сгорая, нагревает воздух; затем в газовой турбине энергия
газообразных продуктов сгорания преобразуется в механическую работу, большая
часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть
работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом,
является полезной работой ГТД.
Полезная работа Le, отнесённая к 1 кг рабочего тела, равна разности
между работой Lt развиваемой турбиной при расширении в ней газа, и работой Lk,
расходуемой компрессором на сжатие в нём воздуха.
Графически рабочий цикл ГТД может быть
представлен в PV-диаграмме, где Р - давление, V - объём (рис.2).
Чем выше кпд компрессора и турбины, тем меньше LK и больше
LT, т.е. полезная работа увеличивается. Повышение температуры газа перед
турбиной также способствует росту полезной работы L1c (линия 3'4' на рис.2).
Экономичность ГТД характеризуется его эффективным кпд, который представляет
собой отношение полезной работы к количеству тепла, затраченного на создание
этой работы.
В современных ГТД кпд компрессоров и турбин соответственно
составляет 0,88-0,9 и 0,9-0,92. температура газа перед турбиной в транспортных
и стационарных ГТД составляет 1100-1200 К, а в авиационных достигает 1600 К.
Достижение таких температур стало возможным благодаря изготовлению деталей ГТД
из жаропрочных материалов и применению охлаждения его элементов. При достигнутом
совершенстве проточной части и температуре газов 1000 К кпд двигателя,
работающего по простейшей схеме, не превышает 25%. Для повышения кпд тепло,
содержащееся в выходящем из турбины газе, используется в рабочем цикле ГТД для
подогрева сжатого воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Охлаждение воздуха в процессе его сжатия в
компрессоре (рис.3)
При этом полезная работа возрастает благодаря увеличению
работы Lm развиваемой турбиной, и уменьшению работы LK, потребляемой
компрессором. Схема такого ГТД в 30-е гг. была предложена советским учёным Г.И.
Зотиковым. Компрессор и турбина низкого давления находятся на одном валу,
который не связан с валом привода, например, генератора, гребного винта. Их
частота вращения может изменяться в зависимости от режима работы, что
существенно улучшает экономичность ГТД при частичных нагрузках.
ГТД могут работать на газообразном топливе (природном газе,
попутных и побочных горючих газах, газогенераторных газах, газах доменных и
сажевых печей и подземной газификации); на жидком топливе (керосине, газойле, дизельном
топливе, мазуте); твёрдом топливе (угольной и торфяной пыли).
Тяжёлые жидкие и твёрдые топлива находят
применение в ГТД, работающих по полузамкнутому и замкнутому циклу (рис.4).
В ГТД замкнутого цикла рабочее тело после совершения работы в
турбине не выбрасывается, а участвует в следующем цикле. Такие ГТД позволяют
увеличивать единичную мощность и использовать в них ядерное топливо. ГТД нашли
широкое применение в авиации (см. Авиационный двигатель) в качестве основных
двигателей силовых установок самолётов, вертолётов, беспилотных летательных
аппаратов и т.п. ГТД используют на тепловых электростанциях для привода
электрогенераторов; на передвижных электростанциях, например в энергопоездах;
для привода компрессоров (воздушных и газовых) с одновременной выработкой
электрической и тепловой энергии в нефтяной, газовой, металлургической и
химической промышленности; в качестве тяговых двигателей газотурбовозов,
автобусов, легковых и грузовых автомобилей, гусеничных тракторов, танков; как
силовые установки кораблей, катеров, подводных лодок и для привода
вспомогательных машин и механизмов (лебёдок, насосов и др.); на объектах
военной техники в качестве энергетических и тяговых силовых установок. Область
применения ГТД расширяется. В 1956 мощность ГТД во всём мире составила 900 Мвт,
к 1958 она превысила 2000 Мвт, а к началу 1968 достигла 40 000 Мвт (без авиации
и военной техники). Наибольшая единичная мощность выпускаемых в СССР ГТД
составляет 100 Мвт (1969). Достигнутый эффективный кпд двигателей - 35%.
Развитие ГТД идёт по пути совершенствования его элементов
(компрессора, турбины, камеры сгорания, теплообменников и др.), повышения
температуры и давления газа перед турбиной, а также применения комбинированных
силовых установок с паровыми турбинами и свободнопоршневыми генераторами газа.
Эксплуатация таких установок в стационарной энергетике и на транспорте
показала, что при утилизации тепла отходящих газов и высоком совершенстве
основных элементов их эффективный кпд достигает 42-45%.
2. Устройство
газотурбинного двигателя
Схема газотурбинного автомобильного двигателя показана на
рис.14. Через входной патрубок / в компрессор двигателя поступает воздух.
Попадая на лопатки вращающегося с большой угловой скоростью колеса 2
компрессора, воздух движется вдоль лопаток и на выходе из них приобретает очень
большую скорость (400-500 м/с). В диффузоре 3 с постепенно увеличивающимся
сечением скорость воздуха уменьшается, а давление возрастает. В теплообменнике
4 воздух, соприкасаясь с его горячими деталями, нагревается и поступает в
камеру сгорания 7, в которую через форсунку 5 непрерывно впрыскивается топливо,
воспламеняемое свечой зажигания 6.
Рис. 5 Схема газотурбинного двигателя.
Из камеры сгорания горячие газы поступают в направляющий
сопловой аппарат 8, где скорость газов увеличивается, а их давление понижается.
Газы, выходящие из направляющего аппарата, воздействуют на лопатки 9 колеса 10
турбины, приводя его во вращение.
Для уменьшения угловой скорости вала, достигающей 5250 рад/с,
момент от вала газотурбинного двигателя передается на трансмиссию автомобиля
через редуктор 11. Выходящие из турбины газы проходят через теплообменник 4,
отдавая часть своего тепла поступающему в камеру сгорания воздуху, после чего
выбрасываются в атмосферу. Как видно из изложенного, деталью газотурбинного
двигателя, непрерывно воспринимающей энергию газов, является колесо турбины,
совершающее только вращательное движение. Отсутствие вспомогательных ходов и непрерывность
рабочего процесса позволяют получить большие мощности при небольших размерах
газовых турбин, а отсутствие кривошипно-шатунного механизма исключает по
сравнению с. поршневыми двигателями неравномерность вращения вала.
Автомобильные газотурбинные двигатели имеют и другие
преимущества перед поршневыми: благоприятное изменение крутящего момента, могут
работать на любом жидком или газообразном топливе, легко пускаются при низких
температурах, их продукты сгорания менее токсичны. Основными недостатками
газотурбинных автомобильных двигателей являются сложность и высокая стоимость
их производства, а при отсутствии теплообменника - низкая экономичность.
Экономичный и сравнительно недорогостоящий газотурбинный двигатель
целесообразно применять только тогда, когда его мощность будет не менее 150
кВт. Поэтому область применения газовых турбин ограничивается автомобилями
большой грузоподъемности.
3.
Преимущества и недостатки газотурбинного двигателя по сравнению с поршневым
двигателем внутреннего сгорания (ДВС)
3.1
Достоинства газотурбинных двигателей
Газотурбинный автомобиль Турбо НАМИ-053 [6, с.15]
Рассмотрим, какие возможности дает замена поршневых
двигателей газотурбинными при обычных типах двигателя. Газотурбинная силовая
установка на автомобиле обладает высокой мощностью при малом весе и малых
габаритных размерах. Удельный вес газовых турбин может составлять менее 1 кг/л.
с. Деталей в газовой турбине меньше, чем в поршневом двигателе той же мощности,
конструкция ее проще и управление ею легче. Весьма важно, что для газовой
турбины не имеет большого значения выбор топлива, качество которого не
регламентируется ни октановыми, ни метановыми числами. Можно применять керосин,
лигроин, дизельное топливо, бензин, сжатые и сжиженные газы в то время, как
требования к топливу для автомобильных поршневых двигателей выше, что особенно
заметно в отношении октановых чисел для современных бензиновых двигателей с
высокой степенью сжатия.
В отработавших газах поршневых бензиновых автомобилей всегда
содержится ядовитая окись углерода, кроме того, этилированный бензин при
сгорании отравляет воздух свинцовыми соединениями. Высокий коэффициент избытка
воздуха в газотурбинных установках обеспечивает полное сгорание топлива без
выделения окиси углерода, отравляющей воздух.
Газотурбинные автомобили обладают хорошей динамикой, не
требуют сложных трансмиссий с коробками передач и превосходят в этом отношении
автомобили с поршневыми двигателями. Объясняется это тем, что с уменьшением
числа оборотов крутящий момент газовых турбин возрастает. Благоприятное
протекание крутящего момента и мощности по оборотам дает возможность обойтись
без коробки передач на легковых автомобилях, а на грузовиках и автобусах -
ограничиться меньшим числом передач, благодаря чему упрощается управление
автомобилем.
Достоинством газовых турбин является быстрота пуска при
низкой температуре вследствие значительно меньшей поверхности трущихся деталей.
Удельная мощность и к. п. д. газовых турбин существенно возрастают при работе с
пониженными температурами воздуха, поэтому применение этих двигателей в
областях с холодным климатом особенно желательно.
Газотурбинный двигатель [7, с.15]
Наряду с немалыми достоинствами газотурбинные двигатели имеют
ряд существенных недостатков, которые обусловливают отсутствие серийного
выпуска газотурбинных автомобилей. Главный недостаток газотурбинной установки с
камерами сгорания - низкий к. п. д., что обусловлено существенно меньшим
перепадом тепла в рабочем процессе по сравнению с поршневым двигателем
внутреннего сгорания. Благодаря пульсирующему принципу работы в поршневом
двигателе температура достигает 2500° (а иногда и выше), в то время как
температура поршня не превышает 600° (в подавляющем большинстве конструкций
значительно ниже).
Непрерывность процесса в газовой турбине заставляет лопатки
турбины работать с температурой, равной температуре газа, а прочность лопаток
не позволяет иметь такую высокую температуру газа, которая обеспечивала бы
высокие к. п. д. Без дополнительных устройств газотурбинный двигатель имеет к.
п. д. на валу турбины, обычно не выше 20%. Если низкий к. п. д. обусловливает
высокие расходы топлива на полной мощности, то на частичных нагрузках
экономичность его по сравнению с поршневым двигателем еще более ухудшается, а
автомобильный двигатель, как известно, на частичных нагрузках работает более
продолжительное время, чем на полной мощности.
Применение теплообменников, использующих тепло отработавших
газов для подогрева воздуха, идущего из компрессора в камеру сгорания,
несколько увеличивает экономичность, но увеличивает вес и габаритные размеры
двигателя. Рекордное значение к. п. д. (27%) достигнуто в настоящее время
фирмой Форд усложнением установки, при котором сведен на нет выигрыш в весе.
Теплообменники не спасают также от сильного ухудшения экономичности на
частичных нагрузках.
При работе двигателя на режиме максимальной мощности
ухудшение экономичности газотурбинного автомобиля по сравнению с обычным
автомобилем несколько уменьшается вследствие лучшей динамики на постоянной
передаче.
Если бы автомобили работали без коробок передач, то этот
выигрыш в экономичности был бы принципиальным и мог бы оказаться решающим в
общем сравнении расходов топлива, однако при работе в обычных условиях это
обстоятельство лишь несколько уменьшает снижение экономичности.
Газотурбинные двигатели имеют меньший срок службы, чем поршневые
двигатели, так как при высокой температуре и высоких скоростях газа происходит
износ и изменение формы лопаток.
Внедрению в промышленность газотурбинных автомобилей мешает
также необходимость в значительных количествах таких остродефицитных материалов,
как никель, кобальт и т.п.
Если вес ГТУ удается снизить по сравнению с поршневым
двигателем той же мощности, то выигрыш в объеме почти отсутствует, так как
расход воздуха, больший в 3-4 раза, вызывает необходимость в размещении
объемистых газопроводов. Значительно больший расход воздуха обусловливает и
значительно больший шум газотурбинной установки на впуске и выпуске.
4.
Перспективы применения газотурбинных двигателей на автомобильном транспорте
В результате обзора и анализа конструкций автомобильных
двигателей, построенных на протяжении все истории существования автомобилей, на
основе современного состояния автомобильной техники можно cделать некоторые
заключения о перспективах развития автомобильных двигателей в ближайшем
будущем.
Теперь о перспективах газотурбинных двигателей. Возможно, что
перспективной силовой установкой на ряде типов автомобилей является
газотурбинная. Выпуск их еще не начался и пока не продано ни одного
газотурбинного автомобиля. Это можно объяснить прежде всего тем, что, произведя
громадные затраты на переоборудование автомобильной промышленности в 50-х
годах, владельцы предприятий хотят использовать оборудование заводов еще 5-10
лет, чтобы не нести затрат на новое переоборудование промышленности для выпуска
газотурбинных автомобилей. Начав продажу газотурбинных автомобилей,
промышленники будут вынуждены их выпускать, хотя бы серийно, а в это время их
могут обогнать конкуренты, получившие вместе с купленными машинами в свои руки
секреты конструкции так тщательно до сих пор скрываемые.
Правда, во всей автомобильной литературе о газотурбинных
автомобилях содержатся уверения, что наладить их производство можно только
через 5-10 лет, а, может быть, и через больший срок. По всей вероятности
основным типом двигателя газотурбинного автомобиля будет газовая турбина со
свободнопоршневым генератором газа. Для грузовых автомобилей и автобусов
газовые турбины более перспективны, чем для легковых, так как здесь нет
затруднений в расположении теплообменников и турбин, а мощности 150-250 л. с. -
наиболее рациональны и практичны. В случае надобности, например, для
автомобилей-самосвалов грузоподъемностью 40 - 50 т. рационально ставить две
турбины мощностью по 200-250 л. с. Обе вместе они будут работать только при
быстрых и трудных разгонах, при езде в гору и на тяжелых дорогах, в остальное
время достаточно работы одной турбины.
Список
использованной литературы
1. Лит.:
Бикчентай Р.Н., Лоноян Г.С., Поршаков Б.П., Применение газотурбинных установок
в промышленности, М., 1959;
2. Уваров
В.В. и Чернобровкин А.П., Газовые турбины, М., 1960;
. Шнеэ
Я.И., Газовые турбины, М., 1960;
. Основы
проектирования и характеристики газотурбинных двигателей, [пер. с англ.], М.,
1964;
. Газотурбинные
установки. Атлас конструкций и схем, М., 1967; Simmons С. R., Gas turbine manual, L., 1968.
6. <http://avto-evolution.ru/nedostatki-gazoturbinnyx-dvigatelej/>
. <http://avto-evolution.ru/dostoinstva-gazoturbinnyx-dvigatelej/>
8. http://avto-evolution.ru/gazoturbinnye-avtomobili/