содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..

3. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ГАЗОТУРБИННЫЕ ТРАКТОРЫ

3.1.

Конструкции тракторных газотурбинных двигателей - часть 1

Возможность и целесообразность использования газотурбинных двигателей (ГТД) на автомобилях и тракторах предопределены комплексом их существенных преимуществ по сравнению с поршневыми.

Основными из них являются легкий пуск при низких температурах (в течение 1—1,5 мин без подогрева при—25°С), сокращенные трудоемкости технического обслуживания (на 25—47%) и снижение стоимости капитального ремонта (на 23—65%), меньшие значения массы (в 1,8—2,5 раза) и габаритов (в 1,4—1,6 раза). Важными достоинствами таких двигателей являются многотопливность без существенной переделки систем, меньший выброс токсичных компонентов (в 3-5 раз), снижение уровней вибрации и шума, хорошая приспособленность к внешним нагрузкам (благодаря благоприятной характеристике), сокращение в 4—5 раз номенклатуры деталей [44, 73, 91,95—98]. Один из существенных недостатков ГТД — их низкая топливная экономичность — практически устранен; лучшие образцы автотракторных ГТД мощностью 260—440 кВт имеют удельный расход топлива 210— 250 г/кВт-ч. Успешно решается вопрос о снижении его до 200 г/кВт-ч. На повестке дня стоит повышение их эксплуатационной надежности и долговечности. Основным путем, ведущим к росту их экономичности, является применение керамических материалов, повышение начальной температуры газа до 1350...1370°С, увеличение степеней повышения давления (лк) до 5,5—8 и регенерации до 0,9. Моторесурс ГТД практически доведен до 10 000 моточасов.
 

Остановимся подробнее на принципе действия ГТД [44, 53]. Для этого обратимся к рис. 3.1. В ступени, состоящей из соплового аппарата и рабочего колеса, происходит преобразование энергии газа. Поток газа, направленный параллельно оси турбины (такая турбина называется осевой) со скоростью С0, температурой Т0 и давлением р0, подходит к сопловым лопаткам 1, в которых происходит превращение энергии давления (потенциальной) в кинетическую. При этом последнее понижается до p1, а температура — до Т1. Скорость газа возрастает до С1 и он направляется под углом на лопатки 2 турбины, укрепленные на рабочем колесе 3. В каналах 4, образованных лопатками турбины, давление и температура продолжают уменьшаться. Лопатки

Рис. 3.1. Схема ступени осевой турбины ГТД и планы скоростей:
1 — сопловые лопатки; 2 — рабочие лопатки; 3—диск рабочего колеса турбины; 4 — межло-паточный канал рабочего колеса; 5 — наружный обод соплового аппарата
 

турбины вращаются с окружной скоростью и, поэтому относительная входная скорость W1 газа будет равна геометрической разности абсолютной С1 и окружной u1. Величину и направление относительной скорости W1 находят из показанного на рис. 3.1 плана скоростей на входе в рабочие лопатки. Вектор входной скорости W1 образует с плоскостью вращения угол В. Уменьшение давления и температуры в межлопаточном канале приводит к росту относительной скорости W1 до W2. Величину и характеризуемое углом а2 направление абсолютной выходной скорости С2, являющейся геометрической разностью относительной скорости W2 и окружной u2, определяют из треугольника скоростей на выходе. Действующая на лопатки центробежная сила создается вследствие поворота газового потока в межлопаточном канале. Такое воздействие потока на лопатки называют активным. Чем больше значения относительной скорости и угла поворота (чем меньше углы и р2), тем сильнее активное действие на лопатки потока. Расширение последнего в межлопаточном канале способствует появлению дополнительной реактивной силы. Указанное воздействие потока называют реактивным. Активное и реактивное воздействия суммируются, в результате чего и создается вращающий момент на валу турбин. Те из них, у которых газ в межлопаточном канале не расширяется (его относительная скорость не меняется) и поток действует исключительно на лопатки, получили название активных. Турбины, у которых поток оказывает на рабочие лопатки активное и реактивное (за счет расширения газа не только в сопловом аппарате, но и в рабочих лопатках) действие, называют реактивными. У них потери меньше и, следовательно, выше КПД. Поэтому современные газовые турбины, как правило, являются реактивными.

Эффективная работа турбины, выполняемая 1 кг газа, пропорциональна квадрату окружной скорости рабочих лопаток, т. е. LCT= u². Величина окружной скорости и ограничивается прочностью материалов. Современные материалы в зависимости от температуры допускают величину и~500—560 м/с. Поэтому ГТД с высокими начальными значениями р и Т выполняются многоступенчатыми с отдельными ступенями давления и скорости или с комбинированными ступенями.

Двухступенчатая турбина со ступенями давления, изображенная на рис. 3.2, состоит из сопловых аппаратов 1 и лопаточных венцов 2, которые при 2—3 ступенях укрепляются либо на одном общем диске, либо на отдельных дисках, образующих ротор турбины. Ступени давления могут быть как активными, так и реактивными. У турбин со ступенями скоростей весь перепад давлений срабатывается в сопловом аппарате, в результате чего абсолютная скорость С0 возрастает до С2; давление р и относительная скорость W на рабочих лопатках остаются примерно постоянными; некоторое их уменьшение происходит вследствие потерь на трение и удары, что и иллюстрирует рис. 3.2, б. В направляющем аппарате второй ступени скорости поворот струи осуществляется без ускорения.

Турбины со ступенями скорости являются активными. В каждой последующей ступени как в ступенях давления, так и в ступенях

скорости исходной является выходная скорость потока предыдущей ступени. Турбины со ступенями скорости имеют более низкий КПД, чем турбины со ступенями давления. Поэтому их применение ограничено (как правило, турбинами вспомогательного назначения). С целью повышения долговечности лопатки сопловых аппаратов высокотемпературных ГТД иногда выполняют пустотелыми, обеспечивая возможность циркуляции по каналам охлаждающего воздуха. Рабочие лопатки охлаждаются в основном отводом тепла в диск.

Кроме осевых, применяются также радиальные турбины (центростремительные или центробежные), показанные на рис. 3.3, у.которых Поток газа направлен по радиусам.

Современные автотракторные ГТД выполняются по следующим структурным схемам, изображенным на рис. 3.4, основными из которых являются [45] одновальный с теплообменником, двухвальный с | теплообменником и одним из средств дополнительного регулирования — регулируемым сопловым аппаратом (РСА) или управляемой связью роторов УСР; трехвальный простого цикла с теплообменником и РСА; трехвальный сложного цикла. Одновальные ГТД, несмотря на простоту их конструкции и малую массу, в качестве автотракторных могут найти применение только в случае использования гидро- или электропередач. Это объясняется тем, что они имеют характеристику, типичный вариант которой представлен на рис. 3.5. Из нее видно, что с увеличением частоты вращения установленных

на общем валу турбины и компрессора мощность увеличивается, а Удельный расход топлива снижается.

С увеличением нагрузки выше расчетной частота вращения двигателя падает, что приводит к уменьшению вращающего момента вплоть До полной остановки двигателя. При возвращении нагрузки к расчетному значению, вращающий момент увеличивается вместе с повышением частоты вращения.

Рис. 3.2. Схемы двухступенчатых турбин с реактивными ступенями давления (а) и со ступенями скорости (б) (1—2)

Рис. 3.4. Структурные схемы автотракторных ГТД:

Рис. 3.5. Характеристика одновального ГТД в относительных параметрах:

Рис. 3.6. Принципиальные схемы одновальных автотракторных ГТД:

содержание   ..  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  ..