Газотурбинный двигатель - что это? Как устроен и принципе работы
Газотурбинный двигатель является разновидностью теплового двигателя, в основе его работы которого не очень простой принцип. А именно, в двигателе газ сначала сжимается, потом нагревается, и после этого, энергия этого газа и «превращается» в механическую работу. Как стало ясно, с первых слов описания такого типа двигателя, все рабочие процессы в потоке движущегося газа происходят, благодаря чему от принципа работы поршневых типов двигателей отличается кардинально.
А если говорить простым языком, то, как же работает газотурбинный двигатель? Итак, если более подробно рассматривать процесс работы газотурбинника, то следует выделить несколько шагов, которые описывают в соединении в механическую работу сложный процесс преобразования энергии сжатого газа. И что это за этапы?
* Итак, подача воздуха, а в дальнейшем и топливно-воздушной смеси. В сжатом виде атмосферный воздух из компрессора попадает в камеру сгорания. Куда и поступает топливо, в итоге получаем топливную смесь, которой выделяется очень много энергии во время процесса сгорания.
* Далее идёт преобразование. Оно начинается после того, как и топливно-воздушная смесь преобразуется в энергию в процессе сгорания, и необходимо, чтобы ее преобразовать в механической действие, работу. Происходит это благодаря вращению специально предназначенных «лопаток» с помощью струй газа, которые и получаются под большим давлением после горения смеси.
* Разделяется работа. А именно, следующим образом - часть полученной механической работы, которую получаем от энергии топливной смеси, идёт в компрессоре на сжатие воздуха для последующей подачи, а остальная часть энергии передается на приводимое устройство силового агрегата.
Как раз та работа, которую и получает приводимый агрегат и есть полезная работа! Кстати, газотурбинный мотор считается по праву двигателем, который обладает наибольшей удельной мощностью, среди остальных типов ДВС. В качестве топлива к газотурбинному двигателю можно выступить почти любое горючее: керосин, дизельное топливо, бензин, природный газ, мазут, водяной газ, спирт, судовое топливо, и даже мелкий уголь!
Принцип работы газотурбинного двигателя
Чтобы получить высокое КПД в тепловом двигателе, нужно добиться высокой температуры сгорания топливной смеси, однако не всегда можно достичь это. Препятствия кроются не в способностях материалов, из которых выполнен двигатель (это может быть никель, магний, сталь, сплавы, керамика и прочие) которые сами по себе выдерживают большие температуры и давление. Инженеры очень большое количество трудов направили на то, чтобы удачно отводить тепло от турбины и применять его там, где необходимо это. Можно смело сказать, что работа их была проведена не зря, ибо в настоящее время, благодаря этим инновационным разработкам, удалось эту цель достичь путем перенаправления выхлопных газов, а точнее их тепла, сжатому воздуху. Этот процесс называется рекуперированием. Это оказался очень успешным подходом, ведь в иначе, тепло выхлопных газов мог бы быть просто утеряно, а таким способом, оно в состоянии выступать в роли источника нагрева сжатого воздуха, перед тем как начнётся процесс дальнейшего сгорания. В итоге, можем смело утверждать, что без данного процесса и специально предусмотренных теплообменников, или рекуператоров, не удалось бы добиться столь высокого значения КПД.
Максимальное давление определяется максимальной скорость вращения лопаток турбинных, которое необходимо достигнуть для того, чтобы получить наивысшее значение мощности мотора. Как правило, при этом, чем меньше размеры и вес двигателя, частота вращения его вала должна быть тем выше, для того, чтобы поддерживать максимальную скорость турбинных лопаток. Это в силу их малой инерционности – чем меньше ГТД, то есть газотурбинный двигатель, тем больше вращение вала – чтобы компенсировать меньшие размеры и вес.
Об устройстве ГТД
Что насчёт его устройства, то здесь все не так и сложно, как себе можно представить. Газотурбинники состоят из камеры сгорания, где также расположены форсунка и свечи зажигания, для подачи топлива и в камере сгорания получения искры. Турбинное колесо обладает специальными лопатками, и установлено с компрессором на одном валу. Конструкция устройства такого мотора также состоит из: понижающего редуктора, теплообменника, выпускного трубопровода, впускного канала, а также диффузора и сопла.
Когда вращается вал компрессора, то его лопастями захватывается воздух, который и поступает во впускной канал. Как компрессором увеличивается скорость движения воздуха до скорости 500 метров в секунду, он его нагнетает в диффузор. Хотя и скорость воздуха на выходе диффузора уменьшается, однако заодно и повышается его давление. Воздух после диффузора поступает в теплообменник, там он нагревается под воздействием тепла отработанных газов и попадает в камеру сгорания. Кроме воздуха, который уже подогрет и сжат, в камеру сгорания непрерывно подается топливо, предварительно распыляясь, с помощью форсунок. Топливо там смешивается с воздухом, там образуется топливная смесь, далее идёт процесс воспламенения этой смеси, с помощью искры, которая производится свечами. В результате этого сгорания, повышается в камере давление, через сопло нагретые газы проходят и направляются в сторону лопаток турбинного колёса, которое и начинает своё движение. Через понижающий редуктор крутящий момент от турбинного колеса передается на трансмиссию автомобиля. Отработанные газы попадают в теплообменник, где помогают подогревать уже поступивший сжатый воздух и наконец, выходят в атмосферу.
Конечно, у ГТД есть куча плюсов, но есть и минусы. Основным из них считается стоимость теплопрочных материалов, с применением которых производится двигатель. Кроме этого сложность работ и необходимая высокая уровень очистки воздуха, который поступает в мотор, также бьют по карману хорошо, однако, не взирая ни на что, и разработка и усовершенствование ГТД уже вовсю проходят не только в нашей стране, но и за границей. Когда-то у них был большой минус – огромная турбояма – то есть, например, у Крайслера Турбайн образца 1963 года! То есть, несмотря на огромную тягу в 576 Н*м, он ждал целых десять секунд, прежде чем начать разгон!!! На такое не в состоянии даже модели у которых тандем из откровенно «тупого» автомата и «провального» турбомотора (с большой «турбоямой»). Но позже крайслеровцы и другие инженеры это доработали, и уже вместо десяти секунд мотор «думал» секунд три. Были помимо Крайслера, такие марки с моделями с ГТД под капотом, как Ровер, Лотус и другие.
О типах газотурбинных моторов
Что насчёт типов, то их довольно большое количество, правда, при этом суть их работы абсолютна одна и та же (в отличие от привычных нам поршневых типов, они могут быть бензиновыми, дизельными, атмосферными, турбированными, роторно-поршневыми и т.д.), однако лишь выполнение – может немного различаться. Исходя из типов, ГТД нашёл широкое применение на железнодорожных составах, морских судах, самолетах, вертолетах, автомобилях и даже на танках. Кстати на сегодняшний день остался лишь американский танк Абрамс М1А1, оснащенный газотурбинником. Конечно, советские инженеры также применяли попытки применить газотурбинник на танках, было даже несколько концептов на базе T80, однако почему в дальнейшем все эти разработки свернули.
