Конструкции тракторных газотурбинных двигателей

Конструкции тракторных газотурбинных двигателей - часть 4

В целях повышения экономичности автотракторных ГТД ведутся работы по дальнейшему повышению температуры рабочего тела, по усложнению цикла, схемы и конструкции ГТД, по смещению точки минимума ge в зону частичных нагрузок, по обеспечению пологого или прямолинейного характера изменения ge в зоне 50—100%-ной нагрузки, а также повышению степени регенерации (до 0,9—0,95).

Из ГТД сложного цикла наиболее известны двигатели фирмы «Форд» модели 704, 705 и др. Схема воздушно-газового тракта первого из них и характеристика его по нагрузке приведены на рис. 3.13. Двигатель трехвальный; он имеет турбокомпрессоры низкого и высокого давлений и тяговую турбину. Турбина ТЗ привода компрессора К1 низкого давления осевая, двухступенчатая; она не имеет перед первой ступенью соплового аппарата. Между первой и второй ступенями компрессора установлен двухсекционный охладитель X воздуха, обеспечивающий степень охлаждения 0,64. После второго компрессора К2 воздух направляется в теплообменник ТО, а затем в первую камеру сгорания КС1, откуда он подается на турбину Т1 компрессора К2 высокого давления. Во второй камере сгорания КС2 происходит подогрев газа за счет дополнительного подаваемого топлива. Далее его поток направляется на тяговую турбину Т2, а затем на ТЗ. Отработавшие газы направляются в теплообменник. Двигатель имеет мощность 221 кВт, а удельный расход топлива составляет 280 г/(кВт-ч), причем минимум его смещен в зону частичных нагрузок.

Рассмотрим достижения последних лет в области автотракторного газотурбостроения. Наибольшую известность [103] приобрел двух- S вальный ГТД с двумя компрессорами и двумя турбинами, изображенный на рис. 3.14. В области больших мощностей оба компрессора paботают параллельно, так же как и компрессорная и тяговая турбины j (рис. 3.14, а). В области малых мощностей компрессоры и турбины | имеют последовательный поток воздуха и газа. Изменением потока 1 газа и воздуха с последовательного на параллельное и наоборот уда- j ется повысить мощность ГТД в 2 раза по сравнению с обычным двух- j вальным двигателем. Экономичность двигателя в зависимости от на- ,] грузки при переходе от одного режима к другому изменяется мало ! вследствие небольших колебаний температуры газа. Удельный расход топлива достигает минимума при относительной мощности, равной 0,4. Масса и размеры теплообменника, несмотря на большую, чем у обычного ГТД, максимальную мощность, не превосходят соответствующие показатели теплообменника обычных ГТД.

Двухфазная турбина [104] показана на рис. 3.15. Она отличается простотой конструкции, хорошей надежностью в процессе эксплуатации и высоким КПД (до 0,7 от КПД цикла Карно). Ее достоинством является также возможность получения больших моментов при малой частоте вращения колеса. Нагретая жидкость и пар, образовав двухфазную смесь, поступают в сопло, в котором она ускоряется (при этом часть воды дополнительно испаряется). Вытекая из него, под углом, указанная смесь ударяет по кольцевой поверхности обода внешнего

ротора.

Рис. 3.14. Схемы ГТД с последовательным (а) и параллельными (б) потоками воздуха и газа и их характеристики (в):

Рис. 3.15. Схема двухфазной турбины:

Последний свободно вращается в подшипниках и не связан с рабочим валом. Момент силы трения жидкости вызывает вращение внешнего ротора, максимальная частота которого обычно достигается через 10 с после запуска турбины. Жидкость вращается вместе с ротором, усиливая эффект маховика. В стационарных условиях частоты вращения жидкого кольца и внешнего ротора близки. Пар сообщает жидкости кинетическую энергию. При движении ротора происходит сепарация пара и жидкости.

Когда вращающееся жидкое кольцо достигает определенной толщины, жидкость начинает поступать в импульсные трубки внутреннего ротора, представляющего собой рабочее колесо турбины, частота вращения которого равна половине частоты вращения внешнего ротора. Колесо связано с валом. Жидкость приводит его во вращение и по импульсным трубкам перетекает в сепаратор. Мощность турбины составляет73,5 кВт, оптимальная частота вращения равна 5000 мин-1. Турбина может эффективно работать даже при изменении ее частоты вращения по сравнению с оптимальной до 10 раз. В качестве рабочего тела в двухфазной турбине может использоваться нагретая жидкость, температура которой составляет 147°С (для обычных паровых турбин минимальная температура теплового источника 177°С). Это позволяет использовать для двухфазных турбин отработавшие газы ГТД и ДВС.

Результаты анализа рассмотренных и ряда других конструкций ГТД показывают, что их металлоемкость существенно ниже, чем у поршневых двигателей. Наглядно это показано на рис. 3.16, который дает возможность сравнить удельные массы поршневых двигателей и ГТД. Как видно из этого рисунка, даже при сопоставлении значений верхней границы удельной массы ГТД с нижней границей ее для дизеля они существенно превосходят последние (на 40—75%); при сопоставлении же равнозначных условий это различие может достигнуть 180—250%.

Рис. 3.16. Зависимости удельных масс поршневых и газотурбинных двигателей от мощности:
1 — поршневые бензиновые ДВС; 2 — дизели (без учета массы радиаторов); 3 — дизели (без учета массы наддува); 4 — дизели (масса с турбонаддувом); 5 автотракторные ГТД с теплообменником; 6 — авиационные ГТД

содержание .. 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 ..