Анализ: чем газотурбинные двигатели "Сатурна" лучше ГТД "Зоря-Машпроект". Двигатель газотурбинный судовойчем газотурбинные двигатели "Сатурна" лучше ГТД "Зоря-Машпроект" » Военное обозрениеЗапуск на рыбинском НПО "Сатурн" с 2018 года серийного производства морских ГТД сделает ВМФ России независимым от импортных газотурбинных агрегатов. А поскольку разработки "Сатурна" современнее изделий николаевского "Зоря-Машпроекта" (Украина), у них несколько выше и КПД. По словам Владимира Путина, коэффициент полезного действия отечественных двигателей вырастет на 10-15%, ведь это "более современная техника по сравнению с той, что мы брали раньше". FlotProm проанализировал КПД силовых установок. В рамках импортозамещения НПО "Сатурн" с 2014 года ведет три опытно-конструкторские работы по двигателям М90ФР, "Агрегат-ДКВП" и М70ФРУ-Р, рассказали FlotProm в Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК). Новыми двигателями российского производства оснастят фрегаты проектов 22350 и 11356, малый десантный корабль на воздушной подушке "Зубр", а также другие корабли и суда ВМФ России. 25 апреля в Рыбинске продемонстрировали два корабельных газотурбинных двигателя – М70ФРУ и М70ФРУ-2. FlotProm приводит таблицу с характеристиками этих ГТД в сравнении с украинскими аналогами и двигателем М90ФР. КПД российского газотурбинного двигателя для ДКВП "Зубр" выше украинского всего на 0,4% Двигатель М70ФРУ-2 производства НПО "Сатурн" станет основой для силовой установки малого десантного корабля на воздушной подушке "Зубр" (проект 12322). Главной энергетической силовой установкой "Зубра" первоначально была ГТУ типа М35. Она включает в себя три тяговых газотурбинных агрегата (ГТА) М35-1 и два нагнетательных ГТА М35-2. В состав каждого из агрегатов входят ГТД еще советской разработки ДП71 (в украинской классификации – UGT6000) разработки и производства "Зоря-Машпроект". Двигатели ДП71 производятся в Николаеве с 1978 года. Для замены украинских ГТД "Сатурн" в 2014 году начал работы по ОКР "Агрегат ДКВП". Цель опытно-конструкторской работы – создание газотурбинного двигателя М70ФРУ-2 и корабельных ГТА М35Р-1, М35Р-2 и М70Р мощностью 10 000 л.с. В характеристиках двигателя М70ФРУ-2, представленных 25 апреля НПО "Сатурн", указан КПД в 32,4%. Это всего на 0,4% лучше украинского ГТД. ГТД М70ФРУ2 для ДКВП типа "Зубр"Возможно, характеристики рыбинских ГТД (особенно М70ФРУ-2) в будущем улучшатся, так как завершение всех трех ОКР запланировано на декабрь 2017 года, и не все испытания еще окончены. В ОДК 25 апреля заявили, что "дальнейшее развитие морских ГТД может пойти по пути увеличения мощности, а также повышения КПД двигателей". Кроме того, "Сатурн" осваивает сплавы из кобальта. По данным источника FlotProm в николаевском "Зоря-Машпроект", применение новых кобальтовых сплавов, используя аддитивные технологии, может "несколько улучшить характеристики газотурбинного двигателя, в том числе способствовать повышению его КПД". На украинском предприятии назвали использование кобальтовых сплавов и аддитивных технологий своим "ноу-хау", работа над которым ведется уже несколько лет. Российские ГТД для фрегатов проекта 11356 и СКР проекта 11540 обогнали украинские по КПД Рыбинские двигатели М70ФРУ и М90ФР созданы для замены ГТД украинского производства ДС71 и Д090 соответственно. Об этом FlotProm сообщил источник, знакомый с ситуацией. В главной энергоустановке М27, использующейся на СКР "Ярослав Мудрый" проекта 11540 "Ястреб", "девяностые" двигатели являются форсажными, а "семидесятые" – маршевыми. При этом российские двигатели имеют КПД в 36% против 32% у ГТД украинского производства. ГЭУ фрегатов проекта 11356 – установка М7Н1, в которой маршевыми являются все те же двигатели ДС71 (в украинской классификации – UGT6000), а форсажными – ДТ59 (UGT16000). КПД последнего – всего 30%. ГТД М70ФРУПроизводители и конструкторы газотурбинных двигателей: КПД таких установок ограничен 38-40% По мнению главного конструктора "Коломенского завода" Валерия Рыжова, которое он высказал в интервью FlotProm в 2015 году, КПД газотурбинного двигателя "находится в пределах 36%, не более. Для повышения этого показателя надо увеличить температуру сгорания в камере. Это в свою очередь приводит к тому, что наступает предел длительной прочности материала рабочих лопаток при высокой температуре. В дизельном двигателе максимальная температура сгорания достигает 1700 градусов, в газотурбинном двигателе такую температуру создать нельзя – сгорят рабочие лопатки турбины". По информации Объединенной двигателестроительной корпорации, КПД большинства их новых двигателей составляет 36%. Источник FlotProm на предприятии "Зоря-Машпроект" заявил, что КПД газотурбинных двигателей можно довести максимум до 38-40%. Последние украинские разработки – например, двигатель UGT 25000, имеет заявленный производителем КПД от 36 до 37% (в разных модификациях). При этом британская компания Rolls-Royce в 2016 году заявила, что КПД ее двигателя MT-30 составляет свыше 40%. Эффективность ГТД зависит от качества материалов и запчастей Как рассказали FlotProm в группе компаний "Дизельзипсервис", которая занимается в том числе ремонтом газотурбинных двигателей, КПД, заявленный "Роллс-Ройсом", выглядит сомнительно, это скорее маркетинговый ход. Представитель компании добавил, что КПД газотурбинных силовых установок сильно зависит от особенностей эксплуатации двигателя, а также от качества материалов и запчастей. "Так, после модернизации системы топливоподачи у двигателя ДЖ59 и установки на него новых лопаток из современных сплавов, коэффициент полезного действия ГТД увеличился, а расход топлива – уменьшился", – сказал представитель ГК "Дизельзипсервис". Он также отметил, что новшества вроде кобальтовых сплавов и аддитивных технологий могут еще улучшить этот показатель. "Например, двигатель ДВ71Л (UGT6000+) до капремонта был "усталым", его КПД уменьшился вполовину с 30%. Ремонт на "Кингисеппском машиностроительном заводе" с применением новых материалов позволил восстановить это значение почти до показателей нового двигателя. Но заводское качество изготовления ГТД принципиально важно", – резюмировали в "Дизельзипсервисе". topwar.ru Газотурбинные силовые установки на корабляхПогожим весенним днем 1947 года от причала одного из британских портов вышел в море неприметный катер. Он не имел даже названия-лишь обозначение MGB2009. Ходовые испытания этого катерка ознаменовали начало применения на флоте принципиально нового типа силовых установок — газовых турбин. На MGB2009 один из трех бензиновых моторов мощностью 1250 л. с. был заменен газотурбинным двигателем «Метрополитен-Виккерс» («Метровик») G2 мощностью 2500 л. с. Это позволило повысить скорость катера водоизмещением 100 т с 30 до 35 узлов. С учетом положительных результатов эксплуатации MGB2009 английское Адмиралтейство приняло решение о постройке двух патрульных катеров типа «Болд» водоизмещением 150 т со скоростью полного хода 43 узлов. Комбинированная четырехвальная энергетическая установка кораблей суммарной мощностью 13 000 л. с. состояла из двух дизелей мощностью по 2500 л. с, вращавших два средних гребных вала, и двух ускорительных газотурбинных двигателей мощностью по 4000 л. с, работавших на два бортовых вала.
ПРЕДЫСТОРИЯ СОВЕТСКИЕ КОРАБЕЛЬНЫЕ ГАЗОВЫЕ ТУРБИНЫ В 1951 году было разработано техзадание на создание первой советской газотурбинной установки УГТУ-1. Для сокращения сроков разработки и постройки этой установки в качестве прототипа был выбран авиационный турбовинтовой двигатель конструкции С. А. Колосова. УГТУ-1 имела мощность 4000 л. с . ресурс составлял всего 100 ч. В 1952 году УГТУ-1 была установлена на опытной торпедный катер проекта 183. Испытания прошли в целом успешно, показав целесообразность дальнейшего развития корабельных газотурбинных установок. Для их производства было решено передать строящийся в Николаеве Южный турбинный завод (изначально предназначавшийся для производства паровых турбин). В 1954 году на предприятии создали конструкторское бюро по разработке ГТД, а в следующем году в Николаеве выпустили первую серийную газовую турбину М1, предназначавшуюся для торпедных катеров. Отдельным направлением газотурбостроения в раннем периоде было создание для противолодочных кораблей проектов 204 и 35 газотурбокомпрессоров Д-2 (1960 г.) и Д-3 (1964 г.) мощностью 15 000 — 18 000 л. с, подающих сжатый воздух от отдельно стоящих компрессоров в гидромотор. Такие силовые установки оказались неэффективными, и николаевские машиностроители сосредоточились на более традиционных установках, приводящих гребные винты. Крупным успехом стало создание первой в мире всережимной газотурбинной установки для больших противолодочных кораблей проекта 61 (головной «Комсомолец Украины» вошел в строй в 1962 году). Такая установка состояла из четырех ГТД МЗ мощностью по 18 000 л. с. и нетребовала каких-либо дополнительных двигателей для экономического хода. За рубежом подобные силовые установки появились лишь в следующем десятилетии (на американских эсминцах типа «Спрюенс»). В целях увеличения дальности плавания кораблей в Николаеве были созданы газотурбинные установки с применением в агрегатах маршевых двигателей для обеспечения экономичного режима на малых и боевом экономических ходах и основных (ускорительных) двигателей для полных ходов. Агрегат М-5 для корабля проекта 1134Б состоял из одного маршевого ГТД мощностью 6000 л. с. и двух основных двигателей по 20 000 л. с. Для корабля проекта 1135 был создан агрегат М-7 в составе двух маршевых ГТД по 6000 л. с. и двух форсажных ГТД по 18 000 л.с. В 1981-1982 годах завершилось создание первых двух унифицированных ГТД третьего поколения М-70 мощностью 10 000 — 12 000 л. с и М-75 мощностью 5000 л. с. Экономичность двигателей была повышена за счет увеличения температуры газа перед турбиной, степени сжатия в компрессоре, улучшения аэродинамики и повышения КПД компрессоров и турбин. БРИТАНСКИЙ ПУТЬ За рубежом ведущую роль в создании корабельных газотурбинных установок до середины 1970-х годов сохраняла за собой Великобритания. Ее конструкторы пошли своеобразным путем, применив на крупных кораблях комбинированную силовую установку схемы COSAG (Combined Steam And Gas). Она включала паровые и газовые турбины, а также редукторы, обеспечивающие совместную или раздельную работу обоих турбин. На эсминцах типа «Каунти» установили по две паровые турбины (по 15 000 л. с.) и четыре газовые «Метровик» G6 (по 7500 л. с), на фрегатах типа «Трайбл» — по одной турбине каждого типа. За пределами Великобритании силовые установки COSAG распространения не получили. КОРАБЕЛЬНЫЕ ГТД Совместное применение паровых и газовых турбин оказалось неэффективным. А вот с дизелями получилось лучше. Несмотря на сравнительно большую удельную массу дизельных двигателей, они отличаются низким расходом топлива. Поэтому в военных флотах получили распространение дизель-газотурбинные силовые установки. В них дизеля применяются для экономического хода, а ГТД включаются лишь на полном ходу. Существуют две возможные конфигурации таких установок: CODAG (Combined Diesel And Gas) и CODOG (Combined Diesel Or Gas). В первом случае на полном ходу совместно работают дизеля и ГТД, во втором — только газовые турбины. Силовая установка CODAG применялась, например, на уже упоминавшийся катерах типа «Болд», а из крупных кораблей впервые использовалась на немецких фрегатах типа «Кельн» (четыре дизеля MAN по 3000 л. с. и две газовые турбины «Браун-Бовери» по 12 000 л. с). Из современных кораблей она используется на немецких фрегатах «Заксен», норвежских «Фритьоф Нансен», российских проекта 22350. Силовые установки CODOG проще CODAG, поскольку не требуют сложных редукторов, обеспечивающих одновременную работу на один вал дизелей и ГТД. Однако при этом требуется применение газовых турбин сравнительно большей мощности. Схема CODOG широко применяется на фрегатах немецкой постройки («Бремен», «Бранденбург» и экспортных проекта МЕКО200), а также индийских фрегатах «Шивалик», южнокорейских корветах «Поханг» и целом ряде других кораблей. Например, на новых шведских корветах типа «Висбю» применена силовая установка в составе четырех ГТД TF50A (по 5440 п. с.) и двух дизелей MTU (по 1770 л. с.) ТОЛЬКО НА ТУРБИНАХ Применение на кораблях с дизель-газотурбинными силовыми установками двигателей двух разных типов создает определенные трудности с их техническим обслуживанием. С эксплуатационной точки зрения предпочтительней применение однотипных двигателей. Поэтому в 1970-е годы начали появляться корабли с газо-газотурбинным силовыми установками, в которых используются ГТД малой мощности для экономического хода и большой — для полного. В зависимости от того, работают ли эти ГТД на полном ходу раздельно или совместно, различают варианта конфигурации газо-газотурбинных установок: COGOG и COGAG. Первый вариант применен, например, на ракетных крейсерах типа «Слава» (проект 1164), британских эсминцах типа «Шеффилд», канадских «Ирокез», голландских фрегатах «Кортенар». Силовые установки COGAG применены на российских сторожевых кораблях типа «Неустрашимый» (проект 11540) и ряде других. Интересным примером являются английские фрегаты типа «Бродсуорд». На первых двух сериях этих кораблей применялись силовые установки COGOG в составе двух турбин экономического хода «Тайн» (суммарной мощностью 9700 л. с.) и двух полного хода «Олимпус» (54 000 л. с). На фрегатах третьей серии установлены более совершенные, но менее мощные турбины полного хода «Спей» (37 540 л. с), поэтому на них перешли к схеме COGAG. Разновидностью чисто газотурбинных силовых установок являются всережимные, в которых нет разделения на ГТД полного и экономического хода, а применяются однотипные газовые турбины. Мы уже упоминали о «Комсомольце Украины» — первом в мире корабле с такой установкой. Начиная с 1970-х годов всережимные установки получили наибольшее распространение в ВМС США. На серии эсминцев типа «Спрюенс» установили по четыре ГТУ LM2500, созданных фирмой «Дженерал Электрик» на базе самолетного двигателя TF39 (применяется на тяжелом транспортном самолете С-5 «Гэлакси»). Помимо 31 корабля типа «Спрюенс» такие силовые установки применили на четырех эсминцах типа «Кидд», 27 крейсерах «Тикондерога». В настоящее время всережимные установки с четырьмя турбинами LM2500 устанавливаются на эсминцах типа «Арли Берк» (в строю 62 корабля, а всего в серии планируется 76). На меньших по размеру фрегатах типа «Оливер X. Перри» (построено с учетом зарубежных «клонов» 71 корабль) применялась всережимная силовая установка из двух турбин LM2500. НОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В 1980-е годы в Великобритании была разработана силовая установка CODLAG (Combined Diesel-eLectric And Gas), в которой для экономического хода используются электродвигатели, питаемые от дизель-генераторов, а на полном ходу на вал подключались дополнительно газовые турбины. Такие установки применили на фрегатах типа «Норфолк», а также кораблях франко-итальянского проекта FREMM. Преимуществом CODLAG является малошумность на экономической скорости, что необходимо для борьбы с подлодками. На ряде наиболее современных кораблей (английских эсминцах типа «Дэринг» и американских «Зумвольт») применены ГТУ с полным электродвижением. То есть в них не предусмотрена работа ГТД непосредственно на вал: на вал работают электродвигатели, а ГТД приводят в действие генераторы. Например, на «Дэрингах» установлены две ГТУ «Роллс-Ройс» WR-21 (по 28 800 л. с.) и два гребных электродвигателя (по 27 000 л. с). 2134warfor.me mirznanii.com «М» ЗНАЧИТ МОРСКОЙ. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПЕРВЫХ МОРСКИХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗРАБОТКИ СПБ «МАШПРОЕКТ»Транскрипт1 smi.nuos.edu.ua «М» ЗНАЧИТ МОРСКОЙ. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ПЕРВЫХ МОРСКИХ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ РАЗРАБОТКИ СПБ «МАШПРОЕКТ» ГП НПКГ «Зоря» «Машпроект» один из лидеров мирового газотурбостроения. Предприятие проектирует и изготавливает газовые турбины для морских кораблей и судов, для электроэнергетики и газотранспортных магистралей, открывая миру новые возможности. Продукция предприятия поставляется в Россию, Белоруссию, Индию, Китай, Вьетнам, Южную Корею и другие страны. С самого первого дня существования ГП НПКГ «Зоря» «Машпроект» и по сей день конструкторское бюро является мозговым центром предприятия, где рождаются смелые конструкторские идеи. За более чем пятьдесят прошедших лет был пройден большой и сложный путь от первого газотурбинного ускорительного двигателя М-1 до современных мощных морских и энергетических газотурбинных установок четвертого поколения. Газотурбинная установка М-1 была разработана в конструкторском бюро Сергея Дмитриевича Колосова еще в Казани. До 1958 года серийным заводом было изготовлено около сорока установок М-1. В то время основные усилия конструкторов были направлены на разработку установки М-2, существенно превосходившей по технико-экономическим характеристикам двигатель М-1. На основе анализа различных схем и параметров циклов, конструктивных разработок, изучения отечественного и зарубежного опыта в конструкторском бюро выбрали следующие основные технические направления проектирования судовых газотурбинных двигателей: применение простого цикла без промежуточного охлаждения и регенерации; постоянное повышение параметров цикла; применение конструктивной схемы двигателя с двумя кинематически несвязанными турбокомпрессорами со свободной силовой турбиной. Опыт последующих лет эксплуатации ГТУ подтвердил правильность выбранного направления. Освоение газотурбинной техники потребовало от коллектива завода и конструкторского бюро решения сложных технических и организационных задач по подбору и обучению инженеров и рабочих, созданию служб, лабораторий, цехов и отделов, приобретению и внедрению в производство необходимого оборудования, новых технологий, строительству новых цехов, налаживанию связей с другими заводами и научными институтами. Совершенствование конструкторской и экспериментальной базы вскоре принесло положительные результаты. В 1955 году были выданы в производство рабочие чертежи двигателя М-2, а в 1959 году первая газотурбинная установка этой серии прошла межведомственные испытания. Началась серийная поставка этих установок флоту. В 1956 году коллектив конструкторского бюро приступил к проектированию газотурбинных агрегатов Д-2 и М-3 мощностью соответственно и л. с. В связи с разным назначением эти агрегаты а) а) Конструктивная схема и внешний вид первого б) морского ГТД М-1 конструкции С. Д. Колосова б) Первая корабельная газотурбинная установкам1: М1: Первая корабельная газотурбинная установка а конструктивная схема; б общий вид двигателя 11 а конструктивная схема; б общий вид двигателя 22 2 smi.nuos.edu.ua Идея использования ГТД для нужд флота не нова. Впервые в мире её выдвинул русский подпоручик Назаров ещё в 1885 году, предложив применить газовую турбину для силовой установки военных кораблей. До войны по заданию наркома судостроительной промышленности И. Ф. Тевосяна также была создана группа инженеров, в задачу которой входило исследовать и оценить перспективность судовых газовых турбин. После нескольких лет работы, в 1932 г. группа представила свои выводы и рекомендации на утверждение. Когда при чтении документа Тевосян дошёл до того места, где рекомендовалось не осваивать самим нового и достаточно сложного производства, а закупить газовые турбины у заграничных фирм, он страшно возмутился и тут же изорвал записку на мелкие клочки. В августе 1950 года вышло постановление Совета Министров СССР о создании первого в стране корабельного ГТД путём модификации авиационного ТВД конструкции С. Д. Колосова (на тот момент главного конструктора завода 16 в Казани). Двигатель предназначался для установки на торпедном катере в качестве ускорительного. Доводочные испытания проводились на трех опытных двигателях, изготовленных на авиационном заводе 16. Приспособленному к морским условиям двигателю был присвоен индекс М-1 С. Д. Колосов связался с главным конструктором опытного торпедного катера П. Г. Гойнкисом. Репрессированный Павел Густавович, крупный специалист, бывший главный инженер отрасли, работал в Остехбюро при Наркомате внутренних дел СССР. Параметры ГТД его устроили, обговорили сроки готовности и поставки. Далее инициативное предложение Колосова рассматривалось у В. А. Малышева, в то время Министра судостроительной промышленности и заместителя Председателя Совета Министров СССР. Предложению сопутствовало всеобщее Торпедный катер проекта 183ТК с газотурбинной установкой М-1 неверие в его реальность, на пути реализации встали ведомственные барьеры. Министр авиационной промышленности М. В. Хруничев был категорически против окончания доводки двигателя в системе Министерства авиационной промышленности и его передачи морякам. Не лучшей была обстановка и в Министерстве судостроительной промышленности. Кроме В. А. Малышева и одного из его заместителей, все были «категорически против» и рассматривали внедрение газовых турбин на флоте как авантюру. Именно таковой была позиция первого заместителя Министра судостроения И.И. Носенко. Военные моряки были «за», но были очень осторожны. «Так хорошо, что пахнет авантюрой» откровенно говорил начальник НИИ ВМС Л. А. Коршунов. Летом 1951 года М-1 прошел официальные испытания и решением комиссии допущен к эксплуатации на опытном катере. Подтверждены расчетные параметры ГТУ: мощность 4000 л. с.; удельный расход топлива 0,4 кг/л. с.; удельный вес 0,5 кг/л. с.; ресурс 100 часов. Но к приему двигателя на катер были не готовыми кроме П. Г. Гойнкиса, никто не верил, что двигатель будет доведен во время. Ходовые заводские испытания торпедного катера проекта 183ТК продолжались около двух лет. Выход поставноления правительства от 27 февраля 1953 года, подписанного лично И. В. Сталиным, ускорил проведение опытных работ и в августе этого года успешно завершены заводские испытания катера. На испытаниях получена расчетная скорость 50 узлов вместо 43 узлов у серийных дизельных катеров. В конце 1953 года катер был сдан флоту. Государственная комиссия отметила: «Газотурбинный двигатель конструкции С. Д. Колосова является первым двигателем в Советском Союзе, примененным на кораблях ВМФ. Газотурбинный двигатель является перспективным двигателем для боевых катеров, так как имеет ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания, заключающихся в простоте конструкции, возможности достижения большей мощности при малом удельном весе». Серийное изготовление катеров требовало серийного изготовления ГТД. И снова визит Колосова к Малышеву. Малышев даёт задание Госплану СССР найти завод, который бы в перспективе обеспечил серийный выпуск корабельных ГТУ. Госплан предложил два строящихся в то время турбинных завода: Калужский и ЮТЗ в Николаеве. Комиссия во главе с С. Д. Колосовым обследовала их и выбрала ЮТЗ. 7 мая 1954 года было подписано постановление Совета Министров СССР об организации на ЮТЗ базы для проектирования и серийного выпуска корабельных ГТУ. Для этой цели на ЮТЗ создали специальное конструкторское бюро, главным конструктором которого был назначен С. Д. Колосов. Эту дату считают днём рождения сегодняшнего НПКГ «Зоря» «Машпроект». по материалам книги «Сергей Дмитриевич Колосов создатель корабельного газотурбостроения» 12 3 smi.nuos.edu.ua Конструктивная схема ГТУ М2 Создатели корабельных газовых турбин, лауреаты Ленинской премии. Слева направо: И. И. Раимов, Я. Х. Сорока, С. Д. Колосов, Л. Н. Кудряшев, Н. М. Махалов Создатели корабельных газовых турбин, лауреаты Ленинской премии. Слева направо: И.И. Раимов, Я.Х. Сорока, С.Д. Колосов, а) Л.Н. Кудряшев, Н.М. Махалов имели различное конструктивное исполнение. Агре- гат Д-2 не имел свободной силовой турбины, а турбина низкого давления являлась приводом компрессора 48 низкого давления и автономного отдельно стоящего компрессора, который подавал сжатый воздух в гидромотор корабля. Как установки М-1 и М-2, так и Д-2 был ускорительным и применялся в составе дизель-газотурбинных установок. Агрегат М-3 предполагалось использовать в качестве всережимной главной силовой установки большого противолодочного корабля проекта 61. Исходя из этого, он должен был иметь значительно большую мощность, больший ресурс, лучшую экономичность на малых и переходных режимах и обладать хорошей маневренностью при достаточно жестких условиях эксплуатации. Задача решалась путем использования принципа количественного регулирования, заключающегося в объединении мощности нескольких двигателей на один вал, что позволяло на малых и средних ходах отключать часть двигателей и таким образом повышать экономичность и ресурс агрегата. В М-3 были применены два двигателя на один суммирующий редуктор. Агрегат М-3 стал первой в мире полностью газотурбинной главной силовой всережимной установкой боевого корабля. Использование ГТУ в качестве главной силовой установки корабля определило необходимость создания устройства внешнего механического реверса гребного винта, так как реверсивных винтов большой мощности в стране не было. Эта задача в агрегате М-3 была решена путем включения в механическую схему зубчатой передачи силового редуктора специальных кулачково- б) Газотурбинная установка М-2 Газотурбинная установка М2: а общий вид; б вид со стороны входного патрубка 26 Общий вид двигателя М3 (спарка) Газотурбинная установка М-3 (спарка) фрикционных и гидравлических муфт, обеспечивающих как изменение направления вращения гребного винта, так и возможность отключения и подключения каждого двигателя. Работа по проектированию М-3 потребовала разработки ряда новых основных и вспомогательных систем, решения возникающих вопросов по системам управления, контроля, 13 4 smi.nuos.edu.ua Здание СПБ «Машпроект», 1963 г. защиты и т.д. В мае 1958 года рабочие чертежи на ГТА М-3 были переданы заводу для серийного выпуска. Но уже в начале серийного освоения новых агрегатов Д-2 и М-3 из-за конструктивных и технологических недоработок наметилось отставание от директивных сроков сдачи изделий. Для устранения выявленных недостатков был проведен ряд организационных и технических мероприятий. Особенно много проблем было с двигателем Д-2 из-за очень высокой вибрации. Необходимо было заново перепроектировать некоторые узлы, а Заказчик требовал от завода неукоснительного выполнения срока поставок. Постановлением Совета Министров СССР от 16 апреля 1961 года СКБ ГУ выделилось в самостоятельную организацию Союзное проектное бюро «Машпроект», получившее статус опытно-конструкторского предприятия. В его состав вошли конструкторское бюро, экспериментальная база и опытное производство. В дальнейшем конструкторское бюро из малочисленного коллектива в 60 человек превратилось в крупное подразделение численностью более 500 человек. Были созданы новые отделы прочности, электрооборудования, запуска и топливорегулирования, замкнутых циклов, эксплуатации, технической информации и др. Для оперативного руководства опытно-доводочными работами были введены должности ответственных ведущих конструкторов. Значительно расширилась и экспериментальная база, преобразованная впоследствии в научноисследовательское отделение. Кроме лаборатории горения, гидравлической, газодинамической и редукторной лабораторий, были созданы лаборатории динамической прочности, статической прочности, акустики, электроавтоматики, электромоделирования и вычислительных машин (впоследствии ОАСВТ) и др. Организационные мероприятия позволили ускорить темпы научно-исследовательских, опытноконструкторских и опытно-доводочных работ. В 1962 году были решены проблемы вибрации Д-2 и проведены межведомственные испытания на полные параметры. ГТУ М-2 была сдана на полный ресурс. В 1963 году были проведены межведомственные испытания М-3 на полные параметры. Установки М-2, Д-2 и М-3 получили высокую оценку межведомственных комиссий и государственной комиссии по приемке кораблей. В частности, в акте государственной приемки корабля «Комсомолец Украины» записано: «Главная газотурбинная установка М-3 не имеет подобных в иностранном кораблестроении. Применение ее позволило получить значительные преимущества по сравнению с котлотурбинными установками, обычно применяемыми на кораблях такого водоизмещения». Работы по созданию газотурбинных установок М-2, Д-2 и М-3 последняя веха в производственной и творческой деятельности главного конструктора и начальника СПБ «Машпроект» С. Д. Колосова. В 1963 году в связи с ухудшением здоровья Сергей Дмитр docplayer.ru Газотурбинный двигатель ВикипедияГазотурбинный 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. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа. Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, и считается полезной работой двигателя. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг. В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельчённый уголь. Основные принципы работыОдну из простейших конструкций газотурбинного двигателя, для понятия его работы, можно представить как вал, на котором находится два диска с лопатками, первый диск — компрессора, второй — турбины, в промежутке между ними установлена камера сгорания. Простейшая схема газотурбинного двигателя Схема турбореактивного двигателяПринцип работы газотурбинного двигателя:
Увеличение количества подаваемого топлива (добавление «газа») вызывает генерирование большего количества газов высокого давления, что, в свою очередь, ведёт к увеличению числа оборотов турбины и диска(ов) компрессора и, вследствие этого, увеличению количества нагнетаемого воздуха и его давления, что позволяет подать в камеру сгорания и сжечь больше топлива. Количество топливо-воздушной смеси зависит напрямую от количества воздуха, поданного в камеру сгорания. Увеличение количества ТВС (топливо-воздушной смеси) приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания и, вследствие этого, позволяет создать бо́льшую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы. Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше топливный коэффициент полезного действия (если точнее, чем выше разница между «нагревателем» и «охладителем»). Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытается рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды. Чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток, так как длина окружности (путь, проходимый лопатками за один оборот), прямо зависит от радиуса ротора. Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микротурбина — с частотой около 100000 об/мин.[2][3] Для дальнейшего развития авиационных и газотурбинных двигателей рационально применять новые разработки в области высокопрочных и жаропрочных материалов для возможности повышения температуры и давления. Применения новых типов камер сгорания, систем охлаждения, уменьшения числа и массы деталей и двигателя в целом возможно в прогрессе применение альтернативных видов топлива, изменение самого представления конструкции двигателя. Газотурбинная установка (ГТУ) с замкнутым цикломВ ГТУ с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют двигателем внешнего сгорания. На практике ГТУ с замкнутым циклом используются редко. Газотурбинная установка (ГТУ) с внешним сгораниемБольшинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 2477 дней] При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолчённая биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе сквозь турбину проходят продукты сгорания. В косвенной системе используется теплообменник, и через турбину проходит чистый воздух. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания. Одновальные и многовальные газотурбинные двигателиПростейший газотурбинный двигатель имеет только один вал, куда устанавливается турбина, которая приводит во вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя. Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит в движение компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта[4] или корабля, мощные электрогенераторы и так далее), так и дополнительные каскады компрессора самого двигателя, расположенные перед основным. Разбиение компрессора на каскады (каскад низкого давления, каскад высокого давления — КНД и КВД соответственно[5], иногда между ними помещается каскад среднего давления, КСД, как, например, в двигателе НК-32 самолёта Ту-160) позволяет избежать помпажа на частичных режимах. Также преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальной скорости вращения и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плохая приёмистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме лёгкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления - большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартёр для разгона при пуске только ротора высокого давления. Система запускаДля запуска ГТД нужно раскрутить его ротор до определённых оборотов, чтобы компрессор начал подавать достаточное количество воздуха (в отличие от объёмных компрессоров, подача инерционных (динамических) компрессоров квадратично зависит от частоты вращения и поэтому на малых оборотах практически отсутствует), и поджечь подаваемое в камеру сгорания топливо. Со второй задачей справляются свечи зажигания, зачастую установленные на специальных пусковых форсунках, а раскрутка выполняется стартером той или иной конструкции:
Типы газотурбинных двигателейТурбореактивный двигательСхема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — соплоВ полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются. Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии. Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги. Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора. Турбореактивный двигатель с форсажной камеройТурбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50 %, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые. Двухконтурный турбореактивный двигательСхема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура.В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно. Применение второго контура в двигателях для военной авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги. Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов. Турбовентиляторный двигательСхема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура.Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях. Турбовинтовентиляторный двигательДальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перена часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, а, как винт, через редуктор. Двигатель наиболее экономичен, но при этом крейсерская скорость полёта ЛА, с такими типами двигателей, обычно не превышает 550 км/ч, имеются более сильные вибрации и "шумовое загрязнение". Пример ТВВД — Д-27 грузового самолёта Ан-70. Турбовинтовой двигательСхема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессорВ турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора.[7] Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи. Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта — например, Ан-12, Ан-22, C-130. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 500—700 км/ч. Вспомогательная силовая установка (ВСУ)ВСУ — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся автономным источником энергии на борту. Простейшие ВСУ могут выдавать только сжатый воздух, отбираемый от компрессора турбины, который используется для запуска маршевых (основных) двигателей, либо для работы системы кондиционирования на земле (пример, ВСУ типа АИ-9, применяемая на вертолётах и самолёте Як-40). Более сложные ВСУ, помимо источника сжатого воздуха, выдают электрический ток в бортовую сеть, то есть являются полноценным автономным энергоузлом, обеспечивающем нормальное функционирование всех бортовых систем самолёта без запуска основных двигателей, а также при отсутствии наземных аэродромных источников энергии. Такова, например, ВСУ ТА-12 самолётов Ан-124[8], Ту-95МС, Ту-204, Ан-74 и других. Турбовальный двигательТакой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. Вся турбина поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Реактивное сопло на турбовальном двигателе отсутствует. Выходное устройство для отработанных газов соплом не является и тяги не создаёт. Выходной вал ТВаД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя. Редуктор — непременная принадлежность турбовального двигателя. Скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала. Компрессор у ТВаД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, в нём есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Основное применение турбовальный двигатель находит в авиации, по большей части, на вертолётах. Полезная нагрузка в этом случае — несущий винт вертолёта. Известным примером могут служить широко распространённые вертолёты Ми-8 и Ми-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117. ТурбостартёрТС — агрегат, устанавливаемый на газотурбинном двигателе и предназначенный для его раскрутки при запуске. Такие устройства представляют собой миниатюрный, простой по конструкции турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. В качестве примера: турбостартёр ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолёты типа Су-24[9], или ТС-12, устанавливаемый на авиационные двигатели НК-12 самолётов Ту-95 и Ту-142. ТС-12 имеет одноступенчатый центробежный компрессор, двухступенчатую осевую турбину привода компрессора и двухступенчатую свободную турбину. Номинальные обороты ротора компрессора в начале запуска двигателя — 27 тысяч мин–1, по мере раскрутки ротора НК-12 за счёт роста оборотов свободной турбины ТС-12 противодавление за турбиной компрессора падает и обороты возрастают до 30 тысяч мин–1. Турбостартёр ГТДЭ-117 двигателя АЛ-31Ф также выполнен со свободной турбиной, а стартёр С-300М двигателя АМ-3, стоявшего на самолётах Ту-16, Ту-104 и М-4 — одновальный и раскручивает ротор двигателя через гидромуфту.[10] Судовые установкиИспользуются в судовой промышленности для снижения веса. General Electric LM2500 и LM6000 — характерные модели этого типа машин. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходами. Они являются разновидностью теплохода. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создаётся при помощи ГТД. Например, газотурбоход «Циклон-М» с 2 газотурбинными двигателями ДО37. Пассажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в 1986 году. Более таких судов не строили. В военной сфере в этом плане дела обстоят несколько лучше. Примером является десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке. Железнодорожные установкиЛокомотивы, на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называются газотурбовозами (разновидность тепловоза). На них используется электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, питает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 1960-е годы в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 1970-х годов проект был свёрнут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец грузового газотурбовоза, работающий на сжиженном природном газе. ГТ1 успешно прошёл испытания, позднее был построен второй газотурбовоз, с той же силовой установкой, но на другой ходовой части, машины эксплуатируются. Перекачка природного газаГазотурбинный двигатель НК-12СТ, используется на магистральных газопроводах ООО «Газпром трансгаз Москва» с 1981 года. По состоянию на 2018 год, в ООО «Газпром Трансгаз Москва» эксплуатируется тридцать таких двигателей.Принцип работы газоперекачивающей установки практически не отличается от турбовинтовых двигателей, ТВаД используются здесь в качестве привода мощных насосов, а в качестве топлива используется тот же самый газ, который они перекачивают. В отечественной промышленности для этих целей широко применяются двигатели, созданные на базе авиационных — НК-12 (НК-12СТ)[11], НК-32 (НК-36СТ), так как на них можно использовать детали авиадвигателей, выработавшие свой лётный ресурс. ЭлектростанцииОснову газотурбинной электростанции составляют один или несколько газотурбинных двигателей. Газотурбинная электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт. Кроме того, газотурбинный двигатель электростанции также способен также производить значительное количество (вдвое больше электрической мощности) тепловой энергии, для чего на на выхлопе турбины устанавливается котёл-утилизатор. Полученный в котле-утилизаторе пар может быть также использован для производства электроэнергии, для чего используется паротурбинная установка, в таком случае вся установка в целом называется парогазовой, либо может быть использован для нужд теплофикации, в таком случае установка называется газотурбинной ТЭЦ. ТанкостроениеПервые исследования в области применения газовой турбины в танковых двигателях проводились в Германии Управлением вооружённых сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком с газотурбинным двигателем стал С-танк. Установка блочного силового агрегата (двигатель - трансмиссия) в танк M1A1Турбовальные двигатели (ТВаД) установлены на советском танке Т-80 (двигатель ГТД-1000Т) и американском М1 Абрамс. Газотурбинные двигатели, устанавливаемые на танках, имеют при схожих с дизельными размерах гораздо бо́льшую мощность, меньший вес и меньшую шумность, меньшую дымность выхлопа. Также ТВаД лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается, — оперативная готовность танка с ГТД, то есть запуск двигателя и последующий вход в рабочий режим всех его систем, занимает несколько минут, что для танка с дизельным двигателем в принципе невозможно, а в зимних условиях при низких температурах дизелю требуется достаточно длительный предпусковой прогрев, который не требуется ТВаД. Из-за отсутствия жёсткой механической связи турбины и трансмиссии на застрявшем или просто упёршемся в препятствие танке двигатель не глохнет. В случае попадания воды в двигатель (утоплении танка) достаточно выполнить так называемую холодную прокрутку ГТД для удаления воды из газовоздушного тракта и после этого двигатель можно запускать — на танке с дизельным двигателем в аналогичной ситуации происходит гидроудар, ломающий детали цилиндро-поршневой группы и непременно требующий замены двигателя. Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, установленных на тихоходных (в отличие от самолётов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации. Неоднозначным оказался опыт эксплуатации танковых ТВаД М1 Абрамс в условиях высокой запылённости (например в песчаных пустынях). В отличие от него, Т-80 благополучно может эксплуатироваться в условиях высокой запылённости, — конструктивно хорошо продуманная система очистки поступающего в двигатель воздуха на Т-80 надёжно защищает ГТД от песка и пыли. «Абрамсы», напротив, «задохнулись» — во время двух кампаний против Ирака при прохождении пустынь довольно много «Абрамсов» встали, так как их двигатели забились песком[источник не указан 180 дней]. АвтостроениеSTP Oil Treatment Special на выставке в зале славы музея трассы Indianapolis Motor Speedway показана вместе с газотурбинным двигателем Pratt & Whitney. A 1968 Howmet TX — единственный в истории газотурбинный двигатель, принёсший победу в автомобильной гонке.Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащёнными газовыми турбинами. В 1950 году дизайнер Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировали первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решётки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в лондонском Музее науки. Команды Rover и British Racing Motors (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, автомобиля с приводом от газовых турбин, который принял участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемого Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Этот автомобиль показал среднюю скорость 173 км/ч, максимальную — 229 км/ч. Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин. На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 году глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом). Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин. Единственная серийная модель «семейного» газотурбинного автомобиля для использования на дорогах общего пользования была выпущена Chrysler в 1963-1964 года. Компания передала пятьдесят собранных вручную машин в кузовах итальянского ателье Ghia добровольцам, которые испытывали новинку в обычных дорожных условиях до января 1966 года. Эксперимент прошёл удачно, но компания, не располагавшая средствами для постройки нового моторного производства, отказалась от массового выпуска автомобиля с ГТД. После ужесточения экологических стандартов и взрывного роста цен на нефть компания, с трудом пережившая финансовый кризис, отказалась от продолжения разработок[12]. Контроль параметров работы ГТДКак и у любого теплового двигателя, у ГТД есть множество параметров, которые необходимо контролировать для эксплуатации двигателя в безопасных, а по возможности и экономичных режимах. Измеряются с помощью приборов контроля.
Конструкторы газотурбинных двигателей и основанные ими КБСм. такжеИсточникиСсылкиЛитератураwikiredia.ru Газотурбинный двигатель — Википедия 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. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа. Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, и считается полезной работой двигателя. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг. В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь. Основные принципы работы[править]Одну из простейших конструкций газотурбинного двигателя, для понятия его работы, можно представить как вал, на котором находится два диска с лопатками, первый диск компрессора, второй — турбины, в промежутке между ними установлена камера сгорания. Простейшая схема газотурбинного двигателяПринцип работы газотурбинного двигателя: всасывание и сжатие воздуха в компрессоре, подача его в камеру сгорания, смешение сжатого воздуха с топливом для образования топливо-воздушной смеси, воспламенение полученной топливо-воздушной смеси (ТВС) при помощи свечи зажигания, расширение газов при сгорании топливо-воздушной смеси, что формирует вектор давления газа, направленный в сторону меньшего сопротивления (в направлении лопаток турбины), передача энергии (давления) газа лопатками турбины на диск или вал, в котором эти лопатки закреплены, приводя во вращение диск (вал)турбины и, вследствие этого, передачу крутящего момента по валу на диск компрессора. Увеличение количества подаваемого топлива (добавление "газа") вызывает генерирование большего количества газов высокого давления, что, в свою очередь, ведёт к увеличению числа оборотов турбины и диска(ов) компрессора и, вследствие этого, увеличению количества нагнетаемого воздуха и его давления, что позволяет подать в камеру сгорания и сжечь больше топлива. Количество топливо-воздушной смеси зависит напрямую от количества воздуха поданного в камеру сгорания. Увеличение количества ТВС приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания и, вследствие этого, позволяет создать бо́льшую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы. Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше топливный коэффициент полезного действия (Если точнее, чем выше разница между "нагревателем" и "охладителем"). Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды. Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.[источник не указан 2387 дней] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 2387 дней] Для дальнейшего развития авиационных и газотурбинных двигателей рационально применять новые разработки в области высокопрочных и жаропрочных материалов для возможности повышения температуры и давления. Применения новых типов камер сгорания, систем охлаждения, уменьшения числа и массы деталей и двигателя в целом, возможно в прогрессе применение альтернативных видов топлива, изменение самого представления конструкции двигателя. Типы газотурбинных двигателей[править] Схема турбореактивного двигателя Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 2387 дней] Реактивные двигатели, которые производят тягу главным образом от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.[источник не указан 2387 дней] Газотурбинная установка (ГТУ) с замкнутым циклом[править]В ГТУ с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют двигателем внешнего сгорания. На практике ГТУ с замкнутым циклом используются редко. Газотурбинная установка (ГТУ) с внешним сгоранием[править]Большинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 2387 дней] При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе сквозь турбину проходят продукты сгорания. В косвенной системе используется теплообменник, и через турбину проходит чистый воздух. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания. Одновальные и многовальные газотурбинные двигатели[править]Простейший газотурбинный двигатель имеет только один вал, куда устанавливается турбина которая приводит во вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя. Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит в движение компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным. Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальной скорости вращения и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плохая приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления. Турбореактивный двигатель[править] Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло. В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются. Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии. Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги. Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора. Турбореактивный двигатель с форсажной камерой[править]Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые. </center> Турбовинтовой двигатель[править] Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор. В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи. Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч. Турбовальный двигатель[править]Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. Вся турбина поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Сопло на турбовальном двигателе отсутствует. Выходное устройство для отработанных газов соплом не является и тяги не создает. Выходной вал ТваД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя. Редуктор — непременная принадлежность турбовального двигателя. Скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала. Компрессор у ТваД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, в нем есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Основное применение турбовальный двигатель находит в авиации, по большей части, на вертолетах. Полезная нагрузка в этом случае — несущий винт вертолета. Известным примером могут служить широко распространенные вертолеты МИ-8 и МИ-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117. Вспомогательная силовая установка (ВСУ)[править]ВСУ — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся автономным источником энергии на борту. Простейшие ВСУ могут выдавать только сжатый воздух, отбираемый от компрессора турбины, который используется для запуска маршевых (основных) двигателей, либо для работы системы кондиционирования на земле (пример - ВСУ типа АИ-9, широко применяемая на вертолётах). Более сложные ВСУ, помимо источника сжатого воздуха, выдают электрический ток в бортовую сеть, а также могут иметь привод на гидронасосы. То есть, являются полноценным автономным энергоузлом, обеспечивающем нормальное функционирование всех бортовых систем самолёта без запуска основных двигателей, а также при отсутствии наземных аэродромных источников энергии. Турбостартер[править]Агрегат, устанавливаемый на газотурбинном двигателе и предназначенный для его раскрутки при запуске. Такие устройства представляют собой миниатюрный, простой по конструкции турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. В качестве примера: турбостартер ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолеты типа Су-24.[1] Судовые установки[править]Используются в судовой промышленности для снижения веса. General Electric LM2500 и LM6000 — характерные модели этого типа машин. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходы.Они являются разновидностью теплохода. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создается при помощи ГТД(газотурбинного двигателя). Например, газотурбоход "Циклон-М" с 2-мя газотурбинными двигателями ДО37. Пасажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в в 1986 году. Более таких судов не строили. В военной сфере в этом плане дела обстоят несколько лучше. Примером является десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке. Железнодорожные установки[править]Локомотивы, на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называются газотурбовозы (разновидность тепловоза). На них используется электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, питает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 60-е годы прошлого века в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 70-х проект был свернут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец газотурбовоза с ГТД, работающем на сжиженном природном газе (опять криогенное топливо ). Газотурбовоз успешно прошел испытания, планируется его дальнейшая эксплуатация. Перекачка природного газа[править]Принцип работы газоперекачивающей установки практически не отличается от турбовинтовых двигателей, ТваД Д используются здесь в качестве мощных насосов, а в качестве топлива используется тот же самый газ, который они перекачивают. В отечественной промышленности для этих целей широко применяются отслуживщие свой срок в авиации двигатели НК-12 (НК-12СТ), НК-32 (НК-36СТ) Электростанции[править]Основу газотурбинной электростанции составляют один или несколько газотурбинных двигателей. Газотурбинная электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт. Она способна также отдавать потребителю значительное количество (вдвое больше электрической мощности) тепловой энергии, если установить на выхлопе турбины котёл-утилизатор; в этом случае установка называется ГТУ-ТЭЦ. Другие модификации газотурбинных двигателей (чаще всего турбовальные (ТваД)) используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Автостроение[править]   A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами. В 1950 году дизайнер Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировали первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в лондонском Музее науки. Команды Rover и British Racing Motors (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, автомобиля с приводом от газовых турбин, который принял участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемого Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Этот автомобиль показал среднюю скорость 173 км/ч, максимальную — 229 км/ч. Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин. На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом). Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин. Единственная серийная модель «семейного» газотурбинного автомобиля для использования на дорогах общего пользования была выпущена Chrysler в 1963-1964 года. Компания передала пятьдесят собранных вручную машин в кузовах итальянского ателье Ghia добровольцам, которые испытывали новинку в обычных дорожных условиях до января 1966 года. Эксперимент прошёл удачно, но компания, не располагавшая средствами для постройки нового моторного производства, отказалась от массового выпуска автомобиля с ГТД. После ужесточения экологических стандартов и взрывного роста цен на нефть компания, с трудом пережившая финансовый кризис, отказалась от продолжения разработок[2]. Танкостроение[править]Первые исследования в области применения газовой турбины в танковых двигателях проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком с газотурбинным двигателем стал С-танк. Газотурбинные двигатели (а точнее их подтип под названием турбовальный двигатель (ТваД)) установлены на советском танке Т-80 и американском М1 Абрамс. Газотурбинные двигатели, устанавливаемые на танках, имеют при схожих с дизельными размерах гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность, меньшую дымность выхлопа. Также, ТваД лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается, — оперативная готовность танка с ТваД, то есть запуск двигателя и последующий вход в рабочий режим всех его систем занимает несколько минут, что для танка с дизельным двигателем в принципе невозможно, а в зимних условиях при низких температурах дизелю требуется достаточно длительный предпусковой прогрев, который совершенно не требуется ТваД. Из-за отсутствия жёсткой механической связи турбины и трансмиссии на застрявшем или просто упёршимся в препятствие танке двигатель не глохнет. В случае попадания воды в двигатель (утоплении танка) достаточно выполнить т. н. холодную прокрутку ТваД, для удаления воды из газовоздушного тракта и после этого двигатель можно запускать, — на танке с дизельным двигателем в аналогичной ситуации происходит гидроудар, ломающий детали цилиндро-поршневой группы и непременно требующей замены двигателя. Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, размещенных на тихоходных (в отличие от самолетов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива, для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации. Производство танков М1 Абрамс также прекращено. Неоднозначным оказался опыт эксплуатации танковых ТваД М1 Абрамс в условиях высокой запыленности (например в песчаных пустынях). В отличии от него, Т-80 благополучно может эксплуатироваться в условиях высокой запыленности, — конструктивно хорошо продуманная система очистки поступающего в двигатель воздуха на Т-80 надежно защищает ТваД от песка и пыли. «Абрамсы», напротив, «задохнулись» — во время двух кампаний против Ирака при прохождении пустынь довольно много «Абрамсов» встали, так как их двигатели забились песком. Двухконтурный турбореактивный двигатель[править] Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура. В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно. Применение второго контура в двигателях для военной авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги. Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов. Турбовентиляторный двигатель[править] Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура. Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях. Турбовинтовентиляторный двигатель[править]Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как винт, а через редуктор. Двигатель наиболее экономичен, но при этом крейсерская скорость полета ЛА, с такими типами двигателей, обычно не превышает 550 км/ч, имеются более сильные вибрации и "шумовое загрязнение". Конструкторы газотурбинных двигателей[править]www.wikiznanie.ru Газотурбинный двигатель — Википедия 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. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа. Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, куда также подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество газообразных продуктов сгорания под высоким давлением. Затем в газовой турбине энергия давления продуктов сгорания преобразуется в механическую работу за счёт вращения лопаток, часть которой расходуется на сжатие воздуха в компрессоре. Остальная часть работы передаётся на приводимый агрегат. Работа, потребляемая этим агрегатом, и считается полезной работой двигателя. Газотурбинные двигатели имеют самую большую удельную мощность среди ДВС, до 6 кВт/кг. В качестве топлива может использоваться любое горючее, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и измельченный уголь. Основные принципы работы[править]Одну из простейших конструкций газотурбинного двигателя, для понятия его работы, можно представить как вал, на котором находится два диска с лопатками, первый диск компрессора, второй — турбины, в промежутке между ними установлена камера сгорания. Простейшая схема газотурбинного двигателяПринцип работы газотурбинного двигателя: всасывание и сжатие воздуха в компрессоре, подача его в камеру сгорания, смешение сжатого воздуха с топливом для образования топливо-воздушной смеси, воспламенение полученной топливо-воздушной смеси (ТВС) при помощи свечи зажигания, расширение газов при сгорании топливо-воздушной смеси, что формирует вектор давления газа, направленный в сторону меньшего сопротивления (в направлении лопаток турбины), передача энергии (давления) газа лопатками турбины на диск или вал, в котором эти лопатки закреплены, приводя во вращение диск (вал)турбины и, вследствие этого, передачу крутящего момента по валу на диск компрессора. Увеличение количества подаваемого топлива (добавление "газа") вызывает генерирование большего количества газов высокого давления, что, в свою очередь, ведёт к увеличению числа оборотов турбины и диска(ов) компрессора и, вследствие этого, увеличению количества нагнетаемого воздуха и его давления, что позволяет подать в камеру сгорания и сжечь больше топлива. Количество топливо-воздушной смеси зависит напрямую от количества воздуха поданного в камеру сгорания. Увеличение количества ТВС приведёт к увеличению давления в камере сгорания и температуры газов на выходе из камеры сгорания и, вследствие этого, позволяет создать бо́льшую энергию выбрасываемых газов, направленную для вращения турбины и повышения реактивной силы. Как и во всех циклических тепловых двигателях, чем выше температура сгорания, тем выше топливный коэффициент полезного действия (Если точнее, чем выше разница между "нагревателем" и "охладителем"). Сдерживающим фактором является способность стали, никеля, керамики или других материалов, из которых состоит двигатель, выдерживать температуру и давление. Значительная часть инженерных разработок направлена на то, чтобы отводить тепло от частей турбины. Большинство турбин также пытаются рекуперировать тепло выхлопных газов, которое, в противном случае, теряется впустую. Рекуператоры — это теплообменники, которые передают тепло выхлопных газов сжатому воздуху перед сгоранием. При комбинированном цикле тепло передается системам паровых турбин. И при комбинированном производстве тепла и электроэнергии (когенерация) отработанное тепло используется для производства горячей воды. Как правило, чем меньше двигатель, тем выше должна быть частота вращения вала(ов), необходимая для поддержания максимальной линейной скорости лопаток.[источник не указан 2387 дней] Максимальная скорость турбинных лопаток определяет максимальное давление, которое может быть достигнуто, что приводит к получению максимальной мощности, независимо от размера двигателя. Реактивный двигатель вращается с частотой около 10000 об/мин и микро-турбина — с частотой около 100000 об/мин.[источник не указан 2387 дней] Для дальнейшего развития авиационных и газотурбинных двигателей рационально применять новые разработки в области высокопрочных и жаропрочных материалов для возможности повышения температуры и давления. Применения новых типов камер сгорания, систем охлаждения, уменьшения числа и массы деталей и двигателя в целом, возможно в прогрессе применение альтернативных видов топлива, изменение самого представления конструкции двигателя. Типы газотурбинных двигателей[править] Схема турбореактивного двигателя Воздушно-реактивный двигатель — газовый двигатель, оптимизированный для получения тяги от выхлопных газов или от туннельного вентилятора, присоединенного к газовой турбине.[источник не указан 2387 дней] Реактивные двигатели, которые производят тягу главным образом от прямого импульса выхлопных газов, часто называются турбореактивными, в то время, как те, которые создают тягу от туннельного вентилятора, часто называются турбовентиляторными.[источник не указан 2387 дней] Газотурбинная установка (ГТУ) с замкнутым циклом[править]В ГТУ с замкнутым циклом рабочий газ циркулирует без контакта с окружающей средой. Нагрев (перед турбиной) и охлаждение (перед компрессором) газа производится в теплообменниках. Такая система позволяет использовать любой источник тепла (например, газоохлаждаемый ядерный реактор). Если в качестве источника тепла используется сгорание топлива, то такое устройство называют двигателем внешнего сгорания. На практике ГТУ с замкнутым циклом используются редко. Газотурбинная установка (ГТУ) с внешним сгоранием[править]Большинство ГТУ представляют собой двигатели внутреннего сгорания, но также возможно построить ГТУ внешнего сгорания, которая, фактически, является газотурбинной версией теплового двигателя.[источник не указан 2387 дней] При внешнем сгорании в качестве топлива используется пылевидный уголь или мелкоистолченная биомасса (например, опилки). Внешнее сжигание газа используется как непосредственно, так и косвенно. В прямой системе сквозь турбину проходят продукты сгорания. В косвенной системе используется теплообменник, и через турбину проходит чистый воздух. Тепловой КПД ниже в системе внешнего сгорания косвенного типа, однако лопасти не подвергаются воздействию продуктов сгорания. Одновальные и многовальные газотурбинные двигатели[править]Простейший газотурбинный двигатель имеет только один вал, куда устанавливается турбина которая приводит во вращение компрессор и одновременно является источником полезной мощности. Это накладывает ограничение на режимы работы двигателя. Иногда двигатель выполняется многовальным. В этом случае имеется несколько последовательно стоящих турбин, каждая из которых приводит свой вал. Турбина высокого давления (первая после камеры сгорания) всегда приводит в движение компрессор двигателя, а последующие могут приводить как внешнюю нагрузку (винты вертолёта или корабля, мощные электрогенераторы и т. д.), так и дополнительные компрессоры самого двигателя, расположенные перед основным. Преимущество многовального двигателя в том, что каждая турбина работает при оптимальной скорости вращения и нагрузке. При нагрузке, приводимой от вала одновального двигателя, была бы очень плохая приемистость двигателя, то есть способность к быстрой раскрутке, так как турбине требуется поставлять мощность и для обеспечения двигателя большим количеством воздуха (мощность ограничивается количеством воздуха), и для разгона нагрузки. При двухвальной схеме легкий ротор высокого давления быстро выходит на режим, обеспечивая двигатель воздухом, а турбину низкого давления большим количеством газов для разгона. Также есть возможность использовать менее мощный стартер для разгона при пуске только ротора высокого давления. Турбореактивный двигатель[править] Схема турбореактивного двигателя: 1 — входное устройство; 2 — осевой компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — рабочие лопатки турбины; 5 — сопло. В полёте поток воздуха тормозится во входном устройстве перед компрессором, в результате чего его температура и давление повышается. На земле во входном устройстве воздух ускоряется, его температура и давление снижаются. Проходя через компрессор, воздух сжимается, его давление повышается в 10—45 раз, возрастает его температура. Компрессоры газотурбинных двигателей делятся на осевые и центробежные. В наши дни в двигателях наиболее распространены многоступенчатые осевые компрессоры. Центробежные компрессоры, как правило, применяются в малогабаритных силовых установках. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, в так называемые жаровые трубы, либо в кольцевую камеру сгорания, которая не состоит из отдельных труб, а является цельным кольцевым элементом. В наши дни кольцевые камеры сгорания являются наиболее распространёнными. Трубчатые камеры сгорания используются гораздо реже, в основном на военных самолётах. Воздух на входе в камеру сгорания разделяется на первичный, вторичный и третичный. Первичный воздух поступает в камеру сгорания через специальное окно в передней части, по центру которого расположен фланец крепления форсунки, и участвует непосредственно в окислении (сгорании) топлива (формировании топливо-воздушной смеси). Вторичный воздух поступает в камеру сгорания сквозь отверстия в стенках жаровой трубы, охлаждая, придавая форму факелу и не участвуя в горении. Третичный воздух подаётся в камеру сгорания уже на выходе из неё, для выравнивания поля температур. При работе двигателя в передней части жаровой трубы всегда вращается вихрь раскалённого газа (что обусловлено специальной формой передней части жаровой трубы), постоянно поджигающего формируемую топливовоздушную смесь, происходит сгорание топлива (керосина, газа), поступающего через форсунки в парообразном состоянии. Газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине через рабочие лопатки в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги. Чем выше температура сгорания, тем выше КПД двигателя. Для предупреждения разрушения деталей двигателя для их изготовления используют жаропрочные сплавы и термобарьерные покрытия. А также применяется система охлаждения воздухом, отбираемым от средних ступеней компрессора. Турбореактивный двигатель с форсажной камерой[править]Турбореактивный двигатель с форсажной камерой (ТРДФ) — модификация ТРД, применяемая в основном на сверхзвуковых самолётах. Между турбиной и соплом устанавливается дополнительная форсажная камера, в которой сжигается дополнительное горючее. В результате происходит увеличение тяги (форсаж) до 50%, но расход топлива резко возрастает. Двигатели с форсажной камерой, как правило, не используются в коммерческой авиации по причине их низкой экономичности.
Начиная с 4-го поколения рабочие лопатки турбины выполняются из монокристаллических сплавов, охлаждаемые. </center> Турбовинтовой двигатель[править] Схема турбовинтового двигателя: 1 — воздушный винт; 2 — редуктор; 3 — турбокомпрессор. В турбовинтовом двигателе (ТВД) основное тяговое усилие обеспечивает воздушный винт, соединённый через редуктор с валом турбокомпрессора. Для этого используется турбина с увеличенным числом ступеней, так что расширение газа в турбине происходит почти полностью и только 10—15 % тяги обеспечивается за счёт газовой струи. Турбовинтовые двигатели гораздо более экономичны на малых скоростях полёта и широко используются для самолётов, имеющих большую грузоподъёмность и дальность полёта. Крейсерская скорость самолётов, оснащённых ТВД, 600—800 км/ч. Турбовальный двигатель[править]Такой двигатель чаще всего имеет свободную турбину. Вся турбина поделена на две части, между собой механически несвязанные. Связь между ними только газодинамическая. Газовый поток, вращая первую турбину, отдает часть своей мощности для вращения компрессора и далее, вращая вторую, тем самым через вал этой (второй) турбины приводит в действие полезные агрегаты. Сопло на турбовальном двигателе отсутствует. Выходное устройство для отработанных газов соплом не является и тяги не создает. Выходной вал ТваД, с которого снимается вся полезная мощность, может быть направлен как назад, через канал выходного устройства, так и вперед, либо через полый вал турбокомпрессора, либо через редуктор вне корпуса двигателя. Редуктор — непременная принадлежность турбовального двигателя. Скорость вращения как ротора турбокомпрессора, так и ротора свободной турбины велика настолько, что это вращение не может быть напрямую передано на приводимые агрегаты. Они просто не смогут выполнять свои функции и даже могут разрушиться. Поэтому между свободной турбиной и полезным агрегатом обязательно ставится редуктор для снижения частоты вращения приводного вала. Компрессор у ТваД может быть осевым (если двигатель мощный) либо центробежным. Часто компрессор бывает и смешанным по конструкции, в нем есть как осевые, так и центробежные ступени. В остальном принцип работы этого двигателя такой же, как и у ТРД. Основное применение турбовальный двигатель находит в авиации, по большей части, на вертолетах. Полезная нагрузка в этом случае — несущий винт вертолета. Известным примером могут служить широко распространенные вертолеты МИ-8 и МИ-24 с двигателями ТВ2-117 и ТВ3-117. Вспомогательная силовая установка (ВСУ)[править]ВСУ — небольшой газотурбинный двигатель, являющийся автономным источником энергии на борту. Простейшие ВСУ могут выдавать только сжатый воздух, отбираемый от компрессора турбины, который используется для запуска маршевых (основных) двигателей, либо для работы системы кондиционирования на земле (пример - ВСУ типа АИ-9, широко применяемая на вертолётах). Более сложные ВСУ, помимо источника сжатого воздуха, выдают электрический ток в бортовую сеть, а также могут иметь привод на гидронасосы. То есть, являются полноценным автономным энергоузлом, обеспечивающем нормальное функционирование всех бортовых систем самолёта без запуска основных двигателей, а также при отсутствии наземных аэродромных источников энергии. Турбостартер[править]Агрегат, устанавливаемый на газотурбинном двигателе и предназначенный для его раскрутки при запуске. Такие устройства представляют собой миниатюрный, простой по конструкции турбовальный двигатель, свободная турбина которого раскручивает ротор основного двигателя при его запуске. В качестве примера: турбостартер ТС-21, используемый на двигателе АЛ-21Ф-3, который устанавливается на самолеты типа Су-24.[1] Судовые установки[править]Используются в судовой промышленности для снижения веса. General Electric LM2500 и LM6000 — характерные модели этого типа машин. Суда, использующие турбовальные газотурбинные двигатели называют газотурбоходы.Они являются разновидностью теплохода. Это чаще всего суда на подводных крыльях, у которых гребной винт приводит в движение турбовальный двигатель механически через редуктор или электрически через генератор, который он вращает. Либо это суда на воздушной подушке, которая создается при помощи ГТД(газотурбинного двигателя). Например, газотурбоход "Циклон-М" с 2-мя газотурбинными двигателями ДО37. Пасажирских газотурбоходов за российскую историю было всего два. Последнее очень перспективное судно «Циклон-М» появилось в в 1986 году. Более таких судов не строили. В военной сфере в этом плане дела обстоят несколько лучше. Примером является десантный корабль «Зубр», самое большое в мире судно на воздушной подушке. Железнодорожные установки[править]Локомотивы, на которых стоят турбовальные газотурбинные двигатели, называются газотурбовозы (разновидность тепловоза). На них используется электрическая передача. ГТД вращает электрогенератор, а вырабатываемый им ток, в свою очередь, питает электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В 60-е годы прошлого века в СССР проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 70-х проект был свернут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец газотурбовоза с ГТД, работающем на сжиженном природном газе (опять криогенное топливо ). Газотурбовоз успешно прошел испытания, планируется его дальнейшая эксплуатация. Перекачка природного газа[править]Принцип работы газоперекачивающей установки практически не отличается от турбовинтовых двигателей, ТваД Д используются здесь в качестве мощных насосов, а в качестве топлива используется тот же самый газ, который они перекачивают. В отечественной промышленности для этих целей широко применяются отслуживщие свой срок в авиации двигатели НК-12 (НК-12СТ), НК-32 (НК-36СТ) Электростанции[править]Основу газотурбинной электростанции составляют один или несколько газотурбинных двигателей. Газотурбинная электростанция может иметь электрическую мощность от двадцати киловатт до сотен мегаватт. Она способна также отдавать потребителю значительное количество (вдвое больше электрической мощности) тепловой энергии, если установить на выхлопе турбины котёл-утилизатор; в этом случае установка называется ГТУ-ТЭЦ. Другие модификации газотурбинных двигателей (чаще всего турбовальные (ТваД)) используются в качестве силовых установок на судах (газотурбоходы), железнодорожном (газотурбовозы) и другом наземном транспорте, а также на электростанциях, в том числе, передвижных, и для перекачки природного газа. Автостроение[править] A 1968 Howmet TX — единственная в истории турбина, принесшая победу в автомобильной гонке. Множество экспериментов проводилось с автомобилями, оснащенными газовыми турбинами. В 1950 году дизайнер Ф. Р. Белл и главный инженер Морис Вилкс в британской компании Rover Company анонсировали первый автомобиль с приводом от газотурбинного двигателя. Двухместный JET1 имел двигатель, расположенный позади сидений, решетки воздухозаборника по обеим сторонам машины, и выхлопные отверстия на верхней части хвоста. В ходе испытаний автомобиль достиг максимальной скорости 140 км/ч, на скорости турбины 50000 об/мин. Автомобиль работал на бензине, парафиновом или дизельном маслах, но проблемы с потреблением топлива оказались непреодолимыми для производства автомобилей. В настоящее время он выставлен в лондонском Музее науки. Команды Rover и British Racing Motors (Формула-1) объединили усилия для создания Rover-BRM, автомобиля с приводом от газовых турбин, который принял участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1963 года, управляемого Грэмом Хиллом и Гитнером Ричи. Этот автомобиль показал среднюю скорость 173 км/ч, максимальную — 229 км/ч. Американские компании Ray Heppenstall, Howmet Corporation и McKee Engineering объединились для совместной разработки собственных газотурбинных спортивных автомобилей в 1968 году, Howmet TX приняла участие в нескольких американских и европейских гонках, в том числе завоевав две победы, а также принимала участие в гонке 24 часа Ле-Мана 1968 года. Автомобили использовали газовые турбины Continental Motors Company, благодаря которым, в конечном итоге, ФИА было установлено шесть посадочных скоростей для машин с приводом от турбин. На гонках автомобилей с открытыми колёсами, революционное полноприводное авто 1967 года STP Oil Treatment Special с приводом от турбины, специально подобранной легендой гонок Эндрю Гранателли и управляемое Парнелли Джонсом, почти выиграло в гонке «Инди-500»; авто с турбиной STP компании Pratt & Whitney обгоняло почти на круг авто, шедшее вторым, когда у него неожиданно отказала коробка передач за три круга до финишной черты. В 1971 глава компании Lotus Колин Чепмен представил авто Lotus 56B F1, с приводом от газовой турбины Pratt & Whitney. У Чепмена была репутация создателя машин-победителей, но он вынужден был отказаться от этого проекта из-за многочисленных проблем с инерционностью турбин (турболагом). Оригинальная серия концептуальных авто General Motors Firebird была разработана для автовыставки Моторама 1953, 1956, 1959 годов, с приводом от газовых турбин. Единственная серийная модель «семейного» газотурбинного автомобиля для использования на дорогах общего пользования была выпущена Chrysler в 1963-1964 года. Компания передала пятьдесят собранных вручную машин в кузовах итальянского ателье Ghia добровольцам, которые испытывали новинку в обычных дорожных условиях до января 1966 года. Эксперимент прошёл удачно, но компания, не располагавшая средствами для постройки нового моторного производства, отказалась от массового выпуска автомобиля с ГТД. После ужесточения экологических стандартов и взрывного роста цен на нефть компания, с трудом пережившая финансовый кризис, отказалась от продолжения разработок[2]. Танкостроение[править]Первые исследования в области применения газовой турбины в танковых двигателях проводились в Германии Управлением вооруженных сухопутных сил начиная с середины 1944 года. Первым массовым танком с газотурбинным двигателем стал С-танк. Газотурбинные двигатели (а точнее их подтип под названием турбовальный двигатель (ТваД)) установлены на советском танке Т-80 и американском М1 Абрамс. Газотурбинные двигатели, устанавливаемые на танках, имеют при схожих с дизельными размерах гораздо большую мощность, меньший вес и меньшую шумность, меньшую дымность выхлопа. Также, ТваД лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается, — оперативная готовность танка с ТваД, то есть запуск двигателя и последующий вход в рабочий режим всех его систем занимает несколько минут, что для танка с дизельным двигателем в принципе невозможно, а в зимних условиях при низких температурах дизелю требуется достаточно длительный предпусковой прогрев, который совершенно не требуется ТваД. Из-за отсутствия жёсткой механической связи турбины и трансмиссии на застрявшем или просто упёршимся в препятствие танке двигатель не глохнет. В случае попадания воды в двигатель (утоплении танка) достаточно выполнить т. н. холодную прокрутку ТваД, для удаления воды из газовоздушного тракта и после этого двигатель можно запускать, — на танке с дизельным двигателем в аналогичной ситуации происходит гидроудар, ломающий детали цилиндро-поршневой группы и непременно требующей замены двигателя. Однако из-за низкого КПД газотурбинных двигателей, размещенных на тихоходных (в отличие от самолетов) транспортных средствах, требуется гораздо большее количество возимого топлива, для сравнимого с дизельным двигателем километрового запаса хода. Именно из-за расхода топлива, невзирая на все достоинства, танки типа Т-80 поэтапно выводятся из эксплуатации. Производство танков М1 Абрамс также прекращено. Неоднозначным оказался опыт эксплуатации танковых ТваД М1 Абрамс в условиях высокой запыленности (например в песчаных пустынях). В отличии от него, Т-80 благополучно может эксплуатироваться в условиях высокой запыленности, — конструктивно хорошо продуманная система очистки поступающего в двигатель воздуха на Т-80 надежно защищает ТваД от песка и пыли. «Абрамсы», напротив, «задохнулись» — во время двух кампаний против Ирака при прохождении пустынь довольно много «Абрамсов» встали, так как их двигатели забились песком. Двухконтурный турбореактивный двигатель[править] Схема турбореактивного двухконтурного двигателя (ТРДД) со смешением потоков: 1 — компрессор низкого давления; 2 — внутренний контур; 3 — выходной поток внутреннего контура; 4 — выходной поток внешнего контура. В турбореактивном двухконтурном двигателе (ТРДД) воздушный поток попадает в компрессор низкого давления, после чего часть потока проходит по обычной схеме через турбокомпрессор, а остальная часть (холодная) проходит через внешний контур и выбрасывается без сгорания, создавая дополнительную тягу. В результате снижается температура выходного газа, снижается расход топлива и уменьшается шум двигателя. Отношение количества воздуха, прошедшего через внешний контур, к количеству прошедшего через внутренний контур воздуха называется степенью двухконтурности (m). При степени двухконтурности <4 потоки контуров на выходе, как правило, смешиваются и выбрасываются через общее сопло, если m>4 — потоки выбрасываются раздельно, так как из-за значительной разности давлений и скоростей смешение затруднительно. Применение второго контура в двигателях для военной авиации позволяет охлаждать горячие части двигателя, это позволяет увеличивать температуру газов перед турбиной, что способствует дополнительному повышению тяги. Двигатели с малой степенью двухконтурности (m<2) применяются для сверхзвуковых самолётов, двигатели с m>2 для дозвуковых пассажирских и транспортных самолётов. Турбовентиляторный двигатель[править] Схема турбореактивного двухконтурного двигателя без смешения потоков (Турбовентиляторного двигателя): 1 — вентилятор; 2 — защитный обтекатель; 3 — турбокомпрессор; 4 — выходной поток внутреннего контура; 5 — выходной поток внешнего контура. Турбовентиляторный реактивный двигатель (ТВРД) — это ТРДД со степенью двухконтурности m=2—10. Здесь компрессор низкого давления преобразуется в вентилятор, отличающийся от компрессора меньшим числом ступеней и большим диаметром, и горячая струя практически не смешивается с холодной. Применяется в гражданской авиации, двигатель имеет большой назначенный ресурс и малый удельный расход топлива на дозвуковых скоростях. Турбовинтовентиляторный двигатель[править]Дальнейшим развитием ТВРД с увеличением степени двухконтурности m=20—90 является турбовинтовентиляторный двигатель (ТВВД). В отличие от турбовинтового двигателя, лопасти двигателя ТВВД имеют саблевидную форму, что позволяет перенаправить часть воздушного потока в компрессор и повысить давление на входе компрессора. Такой двигатель получил название винтовентилятор и может быть как открытым, так и закапотированным кольцевым обтекателем. Второе отличие — винтовентилятор приводится от турбины не напрямую, как винт, а через редуктор. Двигатель наиболее экономичен, но при этом крейсерская скорость полета ЛА, с такими типами двигателей, обычно не превышает 550 км/ч, имеются более сильные вибрации и "шумовое загрязнение". Конструкторы газотурбинных двигателей[править]www.wiki-wiki.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
Т 3 
Р1 4 
0 1 S 
Топливо Газ 
