Газотурбинный двигатель для авто

Легковой автомобиль с газотурбинным двигателем

14 мая 1963 года корпорация Chrysler отважилась на небывалый эксперимент. 48 счастливчиков получили сроком на три месяца новенькие Chrysler Turbine Car. Обязательным условием было представление еженедельных докладов в испытательный центр компании Chrysler. По рассказам участников событий, управлять автомобилем с газотурбинным двигателем было делом несложным, главное – следить за температурой мотора, которая не должна была превышать 900 градусов и держать стрелку тахометра в промежутке от 17.000 до 22.000 оборотов в минуту. После успешного завершения эксперимента все турбомобили были пущены под пресс, а несколько экземпляров отправлены в музей. Подобные разработки вела также компания Dodge, но в этом случае турбомобиль так и остался прототипом.

Turbine был не совсем концепт-каром, в обычном понимании этого слова. Машина должна была служить испытательным стендом для практического тестирования газовых турбин в качестве альтернативы поршневым двигателям. На 50 опытных экземплярах ездили 200 избранных клиентов, которым автомобили были предоставлены в период 1963-1966 гг.

Chrysler Turbine имел менее радикальную стилистику, чем можно было ожидать от концепта. Спереди автомобиль выглядел очень современно, почти как фордовская модель Thunderbird. Однако решение кормовой части не оставляло никаких сомнений в том, что Turbine это нечто совсем необычное – автомобиль выглядел, как реактивный самолет с позиционными огнями! Да, сравнение с самолетом было, пожалуй, самым точным, помимо несущего кузова, автомобиль имел очень схожий тип движетеля, представляющий собой газовую турбину.

Характерный вой турбины привлекал внимание всех в радиусе 30 метров. Во время движения слышался выразительный шум выходящего под давлением горячего воздуха. И хотя он никогда не был так горяч, чтобы под выхлопной трубой плавился асфальт, один из мифов утверждал, что это было именно так. Двигатель действительно работал в температурном режиме 680-1100 градусов Цельсия, но особая конструкция выпускных сопел распределяла горячий воздух по большой поверхности. Сама турбина на холостом ходу своей малозаметной глазу вибрацией напоминала одуванчик больших размеров в знойный летний день. Холостые обороты находились в пределе 22 000 об/мин, а максимальный предел был на отметке 44 000 об/мин.

Езда на автомобиле с турбиной была настоящим потрясением. И хотя в этом моторе было лишь 130 л.с., это были не те, 130 л.с., как в обычном двигателе внутреннего сгорания. Turbine разгонялся от 0 до 100 км/ч за неполных 10 секунд и мог бы делать это еще быстрее, если бы не традиционное для газовой турбины запаздывание, вызванное раскручиванием с холостого хода. Теоретически автомобиль не имел границ в ускорении, однако чисто физические особенности конструкции ограничивали его максимальную скорость в пределах 195 км/ч – не много находилось смельчаков разгоняться на Turbine до этого предела.

Хотя стилистику кузова Chrysler Turbine спроектировал сам Элвуд Энджел, его окончательной доводкой занимались проектировщики туринской студии Carrozzeria Ghia. На той же Ghia в Италии, вручную изготовлялись кузова Turbine. Затем эти машинокомплекты транспортировались в Детройт, где кузов соединялся с моторной установкой и шасси.

Горючим для турбины могло служить любое топливо – от нефти, бензина, до керосина из турбореактивных двигателей или 100-процентного спирта. Единственной проблемой было количество потребляемого топлива – в лучшем случае, автомобиль сжигал 20,5 л на 100 км пути. Именно этот факт предопределил дальнейшую судьбу разработки.

После испытаний все автомобили были возвращены Chrysler. Большинство из них были разобраны. Чтобы сэкономить, Chrysler не стал платить полную стоимость пошлины, а оплатил временный ввоз кузовов на территорию США. По окончанию указанного срока все Chrysler Turbine либо возвращались в Италию, либо уничтожались. Второй способ оказался дешевле. Несколько машин как, например, экземпляр, принадлежащий теперь Франку Клептцу (Frank Kleptz), проданы частным лицам, либо переданы в музеи. Клептцу, который регулярно ездит на своем Turbine, по-прежнему доставляет удовольствие звук его двигателя и реакция, которую тот вызывает автомобиль у окружающих. «Со многих точек зрения это была весьма практичная концепция, – утверждает Клептц. – Автомобилем очень легко управлять, а поскольку турбина просто качает воздух, у двигателя почти нет вибрации. Если бы не реактивный выхлоп, он был бы совсем тихим».

Большинство водителей, тестировавших модель Turbine, отмечала одни и те же недостатки: большое потребление топлива и запоздалая реакция ускорения. По утверждению Клептца, «в то время автомобиль показался большинству людей слишком странным, чтобы его рассматривали всерьез».

Источник

Газотурбинный двигатель и автотранспорт: обзор, плюсы, минусы

Даже не смотря на то, что подавляющее большинство современных автомобилей оснащены именно поршневыми четырехтактными двигателями, история знает примеры попыток установки газотурбинных энергетических установок на стандартное шасси грузовиков или даже легковых авто. Так почему же идея не прижилась и самое главное – как устроен газотурбинный двигатель?

Первое и главное отличие газотурбинного двигателя от поршневого заключается в отсутствии цикличности. К примеру, известно, что поршневые моторы бывают двухтактными или четырехтактными и как следствие рабочий ход у них все равно будет один. Как итог, остальные такты не прибавляют мощности, но делают процесс более энергетически эффективным. В газотурбинном двигателе сжатие топливной смеси, сгорание и выделение энергии происходит каждую секунду. Следовательно, подобная конструкционная особенность предполагает увеличение мощности в 2, а то и в 4 раза больше по сравнению с поршневым мотором.

Главным рабочим органом газотурбинного двигателя являются лопатки. Их форма создана с таким расчетом, дабы обеспечить максимальный КПД всей установки. Изначально воздух сжимается при помощи лопастного компрессора, далее подается в рабочую зону, где впрыскивается топливо, ну а после расширяющиеся газы давят на следующие лопатки и приводят вал во вращение.

Достоинства и недостатки газотурбинных двигателей

Казалось бы, если газотурбинный двигатель на столько мощный, то логично было бы увидеть его и под капотом какой-нибудь гоночной машины, однако даже болиды Формулы 1 все равно ездят как раз на всем том же поршневом моторе.

Недостатки газотурбинных двигателей

Высокая инертность. Для того чтобы вывести газотурбинный двигатель на максимальную мощность требуется несравнимо больше времени чем классическому бензиновому или даже дизельному мотору. Этот недостаток отчетливо проявится при трогании с места на светофоре.

Низкий КПД. Если вы хорошо знаете теорию строения классического ДВС, то понимаете, что перед сгоранием воздух в камере сжимается в 10-13 раз. Для поршневой схемы проделать подобный трюк не составляет большого труда, а вот лопатки турбины могут обеспечить аналогичную степень сжатия только после достижения предельных оборотов ротора. Следовательно, высокий КПД достижим только на предельных мощностях, в остальных случаях газотурбинный двигатель будет просто пожирать топливо литрами.

Высокий уровень шума. Исходя из особенностей восприятия человеческого уха, высокие частоты кажутся куда более громкими чем низкие. Но газотурбинный двигатель как раз и генерирует огромное разнообразие высокочастотных звуковых колебаний, которые очень сильно раздражающий слух. Именно по этой причине пилоты вертолетов одевают наушники, чтобы поговорить с другими членом экипажа.

Высокая стоимость. Так ротор газотурбинного двигателя вращается просто с бешеной скоростью, то малейшая ошибка в балансировки неминуемо приведет к развалу всей конструкции. Более того, высокие температуры требует применения особых конструкционных материалов, которые стоят в несколько раз дороже обычной стали.

Проблемы в обслуживании. Если классический мотор еще можно кое-как починить, не имея сложного оборудования, то вод с газотурбинным такой фокус не пройдет, а значит, потребуются дорогие услуги специалистов и их техника.

Сложность устройства трансмиссии. Вал ротора ГТД вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту, колеса авто же делают пару сотен об/мин. Следовательно, для преобразования момента потребуется коробка передач с очень большим передаточным числом. Это выливается в сложность конструкции и потери на трение.

Достоинства газотурбинных двигателей

Высокий КПД на предельных мощностях. Для того чтобы в полной мере реализовать это преимущество автомобиль приходится строить по гибридной схеме.

Многотопливность. Двигатель может работать практически на любом жидком горючем топливе.

Простота запуска при экстремальных минусовых температурах. Чтобы завести рассматриваемый двигатель в лютый холод нужно на порядок меньше усилий. Из рассмотренного материала можно сделать вывод, что будущее применение газотурбинных двигателей в автотранспорте перспективно только в схеме гибридов. Но, однако, кардинальное преимущество ГТД даже и в этом случае тоже не очевидно, а вот разница в стоимости вполне.

Источник

Автомобильные газотурбинные двигатели

С 1955 года на Горьковском автомобильном заводе велись работы по созданию газотурбинного двигателя. Сначала при создании первых образцов экспериментальной серии «ГАЗ-99», считалось, что для применения авиационных газотурбинных двигателей надо создать регенератор тепла выхлопных газов – теплообменник, найти компоновочное решение всего двигателя и трансформировать накопленные знания по компрессорам, турбинам и камерам сгорания в область малых размерностей и мощностей автомобильных двигателей.

Использование опыта авиационного двигателестроения себя не оправдало. Тем не менее в 1956 году были изготовлены первые макетные образцы ГТД ГАЗ*99 мощностью 130 л.с. Двигатели испытывались по узлам и в сборе, но без теплообменника, ленточная матрица которого не выдерживала тепловых ударов. После проб и ошибок, преодолев целый ряд неудач, выяснилось, что это только первая веха на пути к автомобильному газотурбинному двигателю. Созданный образец двигателя обладал низкой топливной экономичностью. К тому же стало ясно, что все его элементы нуждаются в усовершенствовании.

В 1957 году разработчики сделали первую попытку создания автомобильного ГТД (АГТД) компактной конструкции, основные узлы которого располагались в едином литом чугунном корпусе. В конструкции этого двигателя впервые применена компоновка с двумя расположенными по бокам двигателя дисковыми вращающимися теплообменниками – специфического для АГТД узла со сложной системой уплотнений. Длительная работа над этим узлом привела к созданию вращающегося регенератора арманного типа. Дальнейшее повышение надежности и технологичности конструкции привело к созданию в 1962 году первого в нашей стране полностью работоспособного двигателя ГАЗ-99Б мощностью 175 л.с. Было изготовлено три образца, прошедших испытания на стенде, включая 100-часовые ресурсные. По результатам испытаний получен минимальный удельный расход топлива 320 г/л.с.ч. Один из образцов был установлен на макетном шасси, и были проведены первые дорожные испытания.

Дальнейшее развитие принципов, заложенных в разрабатываемую конструкцию АГТД и его элементов, нашло отражение в модели ГАЗ-99В мощностью 250 л.с., построенной в 1965 году. Двигатель прошел обширную программу стендовых испытаний, включая 300-часовые ресурсные. Применение в его конструкции внутренних корпусов из жаропрочного листового материала обеспечило надежную термоизоляцию наружного корпуса, благодаря чему он был выполнен из алюминиевого сплава. В результате вес двигателя составил 430 кг. В результате доводочных работ на стенде было получено расчетное значение мощности при удельном расходе топлива – 250 г/л.с.ч.

Для проведения дорожных испытаний на базе этого двигателя в 1966 году была разработана модификация ГАЗ-99Г. В отличие от предшествующей модели в ее конструкцию ввели систему блокировки валов турбокомпрессора и тяговой турбины. Эта система предотвращала возможность резкого возрастания оборотов тяговой турбины при разрыве потока мощности, например, при переключении передач и осуществляет режим торможения двигателем.

Было изготовлено два образца, прошедших испытания на шасси в объеме 1000 моточасов. Дорожные испытания проводились на переоборудованном под установку АГТД ГАЗ-99Г шасси повышенной проходимости полным весом 12 тонн, при этом была сохранена трансмиссия бронетранспортера, включая КПП и сцепление.

Созданная дорожная лаборатория обеспечила проведение испытания в объеме 20 000 км, включая испытательные пробеги по маршруту: Горький – Москва (Бронницы) – Горький; Горький – Ленинград (Горелово) – Горький, и по лесному бездорожью северных районов Горьковской области.

В 1969 году была разработана модель двигателя ГАЗ-99Д мощностью 350 л.с., подводящая итог работы над экспериментальной серией ГАЗ-99. В ее конструкции нашли отражение все наиболее характерные для серии особенности:
— двухкорпусная система с наружным литым корпусом из алюминиевого сплава;
— дисковые карманные теплообменники, расположенные в боковых крышках корпуса;
— система блокировки валов и др.

В 1974 году дорожные испытания двигателя продолжились на полноприводном автомобиле высокой проходимости Кременчугского автозавода. Общий пробег автомобилей с ГТД превысил 100 тыс. км. Был подготовлен переход к опытной эксплуатации автомобилей с газотурбинными двигателями в реальных условиях автопредприятий.

В 1977 году был разработан и утвержден технический проект унифи цированного семейства АГТД ГАЗ, включающего две модели: 902.10 мощностью 380 л.с. и 903.10, развивающий 600 л.с. Двигатели должны были в 80-е годы конкурировать с существующими дизелями по расходу топлива стоимости производства, ресурсу, превосходя их по габаритно-весовым показателям. Газотурбинные моторы превосходили дизельные двигатели простотой обслуживания и низкой токсичностью выхлопа.

В отличие от прежних конструкций ГАЗ-99 модели нового семейства выполнены с одним, расположенным сверху, теплообменником. Это существенно улучшало компоновку и облегчало обслуживание двигателя на шасси автомобиля. Применение в конструкции регулируемого соплового аппарата (РСА) силовой турбины и гомогенной камеры сгорания обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики по экономичности частичных режимов, динамике, торможению и совместной работе с трансмиссией при низкой токсичности выхлопа.

Для нового семейства была разработана конструкция гибридной камеры сгорания. Сжигание топлива в гибридных камерах гомогенных смесей позволило снизить выброс токсичных компонентов и значительно повысить ресурс камеры. По токсичности выхлопа двигатели значительно превосходили перспективные европейские нормы.

Успехи в разработке основных узлов позволили увеличить степень повышения давления до 6 и температуру газов до 1030 с0. Оба эти мероприятия резко улучшили габаритно-весовые показатели и обеспечили пологое протекание нагрузочной характеристики при минимальном удельном расходе топлива не более 170 г/л.с.ч. Создание оригинальной конструкции дискового секционного вращающегося регенератора является одним из наиболее важных достижений данного этапа работ. Стальной паяный или чугунный литой каркас диска имел практически неограниченный ресурс работы.

В 1791 году английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД. Русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 году разработал проект, а в 1900-м построил ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера. В нем была применена многоступенчатая газовая турбина. Испытания не были завершены из-за смерти Кузьминского.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ГТД

Принцип действия ГТД становится понятным из схем. Воздух из атмосферы засасывается компрессором, сжимается в нем и подается в камеру сгорания, куда одновременно с воздухом через форсунку подается топливо. В камере сгорания происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают в турбину компрессора, где часть их энергии преобразуется в механическую работу в колесе так называемой свободной или силовой турбины, связанной через редуктор непосредственно с трансмиссией автомобиля. В турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления в диапазоне от давления в камере сгорания до атмосферного.

Допустимая по условиям прочности материалов максимальная температура газов перед турбиной компрессора ГТД 900-1180 с0, что значительно ниже, чем в камере сгорания поршневого двигателя (1700-1800 с0), так как его рабочие части подвергаются воздействию высокой температуры газов постоянно. Для обеспечения более низкой температуры газа воздух подается в камеру сгорания ГТД в значительно большем количестве, чем требуется для процесса горения. Расход воздуха ГТД в 3-4 раза больше, чем дизеля. Поэтому у транспортных ГТД компрессор потребляет мощность почти вдвое большую полезной мощности, снимаемой с вала свободной турбины. Зато для ГТД не требуется громоздкой системы охлаждения.

Источник

Тысяча градусов под капотом: как появились и почему вымерли газотурбинные легковушки?

Благодаря бесспорным успехам мощных газотурбинных силовых агрегатов они давным-давно вытеснили поршневые двигатели из многих смежных отраслей хозяйства и воздушного транспорта. Что же касается легковых автомобилей, то «газотурбинная эйфория», родившаяся вскоре после Второй мировой войны, через двадцать с небольшим лет тихо и навсегда скончалась, оставив истории лишь несколько единичных образцов столь необычной техники.

Это незаметное для мировой автомобильной индустрии событие выглядело тем более странным, что создание самоходных повозок с газотурбинными устройствами началось ещё в конце XVII века, и в дальнейшем, вплоть до 1950-х годов, их неспешно доделывали, превратив в особые компактные «моторы» для транспортных нужд. Примером уникальной самодвижущейся древности с такого рода «двигателем» считается тележка с паровым котлом, которую в 1672 году изобрёл фламандский миссионер и учёный Фердинанд Вербист. Его идея заключалась в направлении струи горячего пара на горизонтальное колесо с лопатками, приводившее в движение два передних колеса.​

Макет самоходной повозки Фердинанда Вербиста с древним прообразом газотурбинной установки

Так что же это за уникально простой, компактный и мощный газотурбинный двигатель (ГТД) в одновальном исполнении для легковушек? В обобщенной конструктивной схеме он снабжался радиальным компрессором, засасывавшим воздух в камеры сгорания, куда впрыскивалось недорогое жидкое топливо. При воспламенении горючей смеси раскаленные газы раскручивали как компрессор-нагнетатель воздуха, так и тяговую турбину с шестеренчатым редуктором, понижавшим число оборотов до значения, приемлемого для привода колес автомобиля.

Упрощенная схема автомобильного ГТД: 1 — компрессор, 2 — тяговая турбина, 3 — турбина компрессора

Газотурбинные автомобили компании Rover

Первый в мире газотурбинный автомобиль Rover Jet-1 удивлял всех прохожих в Лондоне. 1950 год

Опробование второго более мощного турбоавтомобиля Rover Jet-1. 1952 год (фото R. Gerelli)

Публичная демонстрация автомобиля Jet-1 сопровождалась шумной рекламной кампанией (фото R. Gerelli)

Презентация Jet-1 состоялась в марте 1950 года. Через два года начались испытания модернизированного варианта с 230-сильной турбиной Т-8. Такой ГТД отличался плавностью работы, но слишком высокая рабочая температура потребовала применения редких и дорогих материалов, а расход авиационного керосина достигал 50 литров на 100 километров.

Единственная сохранившаяся машина Rover Jet-1 образца 1950 года в лондонском Музее науки (фото автора)

В 1956 году фирма Rover вернулась к ГТД второго поколения с новой 100-сильной турбиной 2S/100 и теплообменником производства компании British Leyland. Ее смонтировали в задней части полноприводного автомобиля Т-3 с двухместным стеклопластиковым кузовом на сварной раме с алюминиевыми усилителями и дисковыми тормозами. Максимальная скорость достигала 170 км/ч, расход топлива сократился до 22 литров, но в то время компания уже не могла выделить крупных средств на продолжение этих работ.

Испытания уникального полноприводного концепт-кара Rover T-3 с задней установкой ГТД. 1956 год

Газотурбинный автомобиль-купе T-3 в экспозиции Heritage Motor Centre в Гайдоне

Несмотря на огромные расходы, в 1961-м появилась переднеприводная легковушка Т-4 с 140-сильным агрегатом 2S/140 переднего расположения и четырехместным несущим кузовом для будущей серийной модели Rover-2000. Она стала самой быстроходной дорожной машиной с ГТД (около 200 км/ч) и с места до «сотни» разгонялась за восемь секунд.

Фото 1. Последняя газотурбинная машина компании Rover с кузовом, созданным для серийной модели Rover-2000

Дополнением к серии Т-4 был удлиненный приземистый спортивный вариант Rover-BRM с задним приводом и двухместным кузовом купе, созданный совместно с фирмой BRM. До середины 1970-х он служил престижным и дорогим дорожным автомобилем и участвовал в крупных международных автогонках.

Престижный дорожный вариант спортивного автомобиля Rover-BRM с газовой турбиной. 1965 год

Газотурбинный уникум FIAT

Спортивная газотурбинная машина FIAT Turbina в Museo dell’ Automobile di Torino. 1954 год

Автомобиль FIAT Turbina с задним силовым агрегатом и автоматической трансмиссией модели 8001

Главной особенностью 300-сильного ГТД заднего расположения была особая трансмиссия модели 8001, автоматически регулировавшая рабочие режимы компрессора и тяговой турбины. При этом свежий воздух засасывался спереди и подавался к заднему компрессору по центральному тоннелю.

При желании на этой схеме можно разглядеть всю «механическую мельницу» машины FIAT Turbina

Автомобиль получил стальную трубчатую раму и независимую подвеску всех колес со стабилизаторами поперечной устойчивости. После испытаний и демонстрации на Туринском автосалоне в нём выявили множество недостатков, и дальнейшие работы пришлось прекратить.

«Огненные птицы» от корпорации General Motors

Известный дизайнер Харли Эрл во главе своего «огненного семейства» уникальных автомобилей Firebird

В декабре 1953 года с первой экспериментальной газотурбинной машиной Firebird XP-21 (Firebird I) сразу же произошел конфуз: ее приняли за поставленный на четыре больших колеса одноместный реактивный истребитель с короткими крылышками, хвостовым стабилизатором и задним соплом.

Странное авиационно-автомобильное сочетание по-американски — концепт-кар Firebird XP-21. 1953 год

Нелетающий истребитель GM Firebird XP-21 со спрятанным в корпусе ГТД и декоративным оперением

Но, присмотревшись, под стеклопластиковым кузовом можно было увидеть 380-сильный ГТД GT-302 компании Allison, весивший около 350 кг и разгонявший бутафорский самолет до 370 км/ч. Он снабжался по-автомобильному независимой подвеской и внутренними тормозными барабанами.

Необычный газотурбинный автомобиль-самолет Firebird I в экспозиции GM Heritage Center

Через три года был представлен более строгий четырехместный вариант Firebird II (XP-43) с новым ГТД GT-304 в 200 сил при рабочем режиме 25 тысяч оборотов в минуту и дисковыми тормозами. На этот раз он был похож на гоночный автомобиль с передним остроконечным обтекателем и упрятанными в него фарами, небольшими боковыми крыльями, прозрачной крышей-фонарём и хвостовым оперением. В отличие от первенца его напичкали мелкими оригинальностями: двухсекционные двери, бортовой компьютер, блок автоматического переключения световых приборов.

Второй газотурбинный вариант Firebird II, напоминавший рекордно-гоночный автомобиль. 1956 год

Харли Эрл с удовольствием позирует у своего уникального газотурбинного детища GM Firebird II

Вскоре за ним появилась третья приземистая шестиметровая «сказочная огненная птица» Firebird III (XP-73) с 225-сильным двигателем GT-305 и самолетным фонарём, ощетинившаяся всеми своими стеклопластиковыми кузовными панелями и ножевидными кромками дверей, крыльев и всевозможных хвостов. Для питания бортовых систем, кондиционера и круиз-контроля служил миниатюрный бензиновый движок в 10 сил.

Третий газотурбинный уникум Firebird III с уймой полезных и бесполезных крыльев и крылышек. 1958 год

Источник