Несколько слов можно сказать и о газовых турбинах. Газовые турбины как силовые машины известны с конца 19-го века. Так, например, в книге С.Балдина «Двигатели внутреннего горения» выпуска 1923 года, уже есть глава, посвященная конструкции и использованию газовых турбин.
Такие силовые машины очень хорошо зарекомендовали себя в конструкционных схемах высокой и средней мощности, и больших и средних массо – габаритных параметров. Но вот в малых по размеру схемах малой мощности от 800 – 600 кВт и ниже, турбины резко теряют все свои преимущества. А в вариантах мощности 50-150 кВт даже заметно уступают по рабочим характеристикам поршневым моторам. Дело в том, что при уменьшении диаметра ротора резко падает плечо рычага приложения сил давления рабочих газов, что значительно уменьшает значение крутящего момента на валу турбины. Кроме того, турбины имеют очень высокие обороты вала, что требует применения сложных планетарных редукторов. А температура выхлопных газов гораздо выше, чем у поршневых моторов, и это будет требовать применения громоздких систем глушения выхлопа.
При этом турбины продолжают и в таком исполнении требовать в 6-8 раз больше воздуха, чем поршневые моторы, и поэтому на наземный транспорт приходится ставить очень громоздкие и требующие частой смены воздушные фильтры. Пример: танк Т-80 производства Омского завода, имеет в качестве двигателя газовую турбину на 1000 л.с.- практически вариант вертолетного двигателя. Главная проблема этой машины в том, что в условиях реального действия в полевых условиях воздушные фильтры очень быстро забиваются пылью и турбина резко наинает терять мощность в условиях недостатка воздуха. А в условиях боевых действий менять воздушные фильтры очень непросто… У американцев на танке М-1 «Абрамс» (Abrams) похожие проблемы…
Вот краткие характеристики силовой установки американского танка: Газотурбинный двигатель AVCO Lycoming AGT-1500 мощностью 1232 кВт (1500 л.с) выполнен в едином блоке с автоматической гидромеханической трансмиссией X-1100-3B. Блок массой 3860 кг может быть заменён менее чем за 1 ч.
На фото-cмена силовой установки на «Абрамс». На боковине корпуса справа видна большая решетка воздухозаборника с фильтром
Выбор газотурбинного двигателя американские специалисты объясняют рядом его преимуществ по сравнению с дизелем той же мощности. Меньшая масса, относительная простота конструкции, повышенная надёжность и ресурс. Также ГТД имеет пониженную задымлённость и шумность, лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается при низких температурах. Основными недостатками являются повышенный расход топлива и воздуха (в результате система воздухоочистки занимает втрое больший объём по сравнению с дизелем).
AGT-1500 является трёхвальным двигателем с двухкаскадным осецентробежным компрессором, индивидуальной камерой сгорания тангенциального расположения, свободной силовой турбиной с регулируемой сопловым аппаратом и стационарным кольцевым пластинчатым теплообменником. Сопловые и рабочие лопатки первой ступени турбины высокого давления охлаждаются воздухом, отбираемым на выходе из компрессора и подаваемым через отверстия в хвостовиках лопаток. Максимальная температура газа в турбине 1193 °C. Редуктор, размещённый внутри корпуса теплообменника, уменьшает число оборотов на выводном валу ГТД до 3000 об/мин. Двигатель обеспечивает танку М1 «Абрамс» весом 55 тонн высокую приёмистость — до скорости 30 км/ч танк разгоняется за 6 с.
Именно потому, что газовые турбины в малом массогабаритном исполнении резко теряют все свои положительные характеристики и не имеют уже преимуществ перед опычными поршневыми моторами, а недостаки сохраняют, их использование в автомобилях не имеет смысла.
ВСУ танка Т-80 в разрезе.
Самая маленькая газовая турбина, которую автору удалось видеть — это вспомогательная силовая установка российских танков Т-80У. Установка ГТА-18А объединяет в себе турбодвигатель и генератор постоянного тока и используется для запуска основного двигателя (стартер) и для обеспечения электроэнергией танка при отключенном основном двигателе. Этот агрегат имеет мощность 18 кВт, вес турбодвигателя с редкутором около 40 кг, длина около 40 см. Работает на дизельном топливе, может использовать так же и бензин и керосин. Как видете- характеристики более чем скромные. Фото этой машины, сделанное автором сайта — перед вами.
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТУРБИН:
вообще надо сказать, что первые турбины в варианте действующих силовых машин были паровыми турбинами.
Еще в 1880-х годах 19-го века шведский инженер Густав Лаваль создал первую паровую турбину. Ему нужен был привод с большими оборотами вращения, и он остановил свой выбор на возможности создать двигатель в непрерывным вращением рабочего органа – колеса с лопатками. Ибо тихоходные поршневые паровые машины того времени никак не годились для этой задачи. Турбина Лаваля работала на оборотах более 40 тыс. оборотах в минуту. По конструкции она относится к радиальным турбинам, по своим конструкционным характеристикам она может быть только одноступенчатой, поэтому имеет небольшую мощность и высокий расход пара. Но при этом может «улавливать» потоки рабочего тела небольшого давления.
Параллельно со шведом Лавалем так же в 80-х годах 19-го века работал англичанин Парсонс, который создал паровую турбину осевого (аксиального) типа. Эта турбина была многоступенчатой и поэтому могла давать гораздо большие мощности, обладала меньшим расходом пара, чем турбина Лаваля на единицу мощности, и работала на меньших оборотах. Поэтому турбины Парсонса скоро начали ставить на морские суда, которые начали плавать с гораздо большими скоростями, чем суда с поршневыми паровыми машинами.
С конца 19-го века были попытки сконструировать на основе принципа лопаточной силовой машины- турбины двигатель внутреннего сгорания. Это были турбины немца Штольце, норвежца Эллинга и пр. Но только в 30-х годах англичанином Уиттлом была создана работоспособная газовая турбина с приемлемым КПД и достаточной мощностью.
Параллельно с Уитлом в Германии ханц фон Охайн и Макс Хан создавали газовую турбину своей конструкции. Обе конструкции турбины в конце 2-й мировой войны появились на боевых самолетах в качестве силовых установок. С тех пор газовые турбины прочно заняли место в авиации и вертолетной технике. А вот доля привода автомобилей, где требуются мощности в среднем не более 500 кВт, турбины не подходят, ибо в этой массогабаритной размерности они теряют свои основные преимущества и оказываются хуже и прожорливее поршневых ДВС. Отдельным типом техники оказываются паровые турбины, которые являются основными силовыми машинами в «большой» электроэнергетике и приводят в действие мощные генераторы больших газовых электростанций на атомном или газово-угольно-мазутном топливе.
Основные по разделению по геометрии рабочих колес турбин разделяются на:
- радиальные турбины (турбины Лаваля);
- осевые (аксиальные) турбины (турбины Прсонса);
Часто отдельным классом выделяют центробежные турбины, которые формально относятся к радиальным турбинам, но имеют специфическую, меняющую на 90 градусов геометрию лопаток. Такие турбины стоять в качестве рабочих колес на системах турбокомпрессоров в системах турбонаддува на автомобилях, и такие же колеса по геометрии часто стоят на гидроэлектростанциях.
Формально турбины по своей схеме работы главного рабочего органа относятся к роторным расширительным машинам (роторным двигателям). Только в отличие от привычных роторных двигателей турбина- это проточные машины, где нет запираемых герметичных камер сгорания и рабочее тело идет «на проток». Т.е. в газовых турбинах работает кинетическая энергия разогнанных во время сгорания до высоких скоростей газов, в то время как в роторных двигателях Ванкеля и других подобных машинах работает избыточное давление рабочих газов.
Исходя из этого, к турбинам можно отнести все роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего органа (ротора) и не имеющих запорных элементов, совершающих возвратно-поступательное или качательное движение.
Подобным условиям отвечает конструкция роторного двигателя «системы Тверского», где все элементы совершают строго простое вращательное движение. Только в отличие от «проточных» газовых турбин, в роторном двигателе Тверского будет работать не кинетическая энергия движущееся газовой струи, а статическая сила газа высокого давления.
Т.е. подобная турбина будет работать в «пульсирующем режиме» на рабочем теле высокого давления, что оказывается залогом высокой эффективности – малого расхода рабочего тела и высокого КПД.