Конструкции газотурбинных установок - Шварц В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Повышение экономичности автомобильного газотурбинного двигателя при заданной температуре газа перед турбиной достигается в первую очередь применением регенеративных схем. Только с помощью высокоэффективного регенератора можно повысить экономичность двигателя на максимальной мощности и — что еще более важно — на промежуточных нагрузках. Тем не менее, в зарубежных странах в опытной эксплуатации есть ряд автомобильных двигателей и без регенератора. Их применение вызвано или желанием накопить опыт эксплуатации автомобилей с новым типом двигателя независимо от его экономичности, или использованием этих ГТУ на автомобилях специального назначения — гоночных, спортивных, пожарных, военных или мощных грузовиках на скоростных междугородных автострадах, когда двигатель длительно работает в режиме, близком 108
к полной мощности. ГТУ без регенератора — это в основном установки промышленного или транспортного назначения, приспособленные для работы в качестве автомобильного двигателя, или промежуточные модели автомобильных двигателей, на которых намечается последующая установка регенератора.
Типичные регенеративные установки, работающие по простому циклу, изображены на рис. 64—70. Двигатель без регенератора показан на рис. 71.
Принципиально иное направление при разработке высокоэкономичного двигателя было выбрано фирмой Форд. Эта фирма создала первый маломощный двигатель, работающий по сложному циклу. Двигатель (рис. 72) имеет два турбокомпрессора и свободную силовую турбину среднего давления; в нем предусмотрено промежуточное охлаждение воздуха между компрессорами, промежуточный подогрев в камере горения низкого давления и регенерация тепла уходящих газов в рекуперативном теплообменнике с относительно низкой степенью регенерации (74,5%). Благодаря высокой степени сжатия, равной 16, и сложному циклу мощность на единицу массового расхода воздуха в 2 раза больше, чем в обычных ГТУ,— это снижает на 20% объем и массу двигателя [61]. Уменьшение размеров двигателя имеет далеко идущие последствия — сокращается потребная для пуска мощность, уменьшается время разгона ротора, т. е. улучшается приемистость двигателя. Очень малые размеры элементов определяют исключительно высокие числа оборотов роторов (для турбокомпрессора высокого давления—91500 в минуту).
Автомобильные ГТУ проектируют так, чтобы высокая экономичность двигателя сохранялась в диапазоне 25—50% мощности, а также на холостом ходу. В легковых автомобилях именно эти показатели и определяют общий эксплуатационный расход топлива; на максимальных нагрузках может быть допущена пониженная экономичность.
Наиболее эффективным способом повышения экономичности двигателя на частичных режимах работы является применение регенератора. Высокую экономичность на частичных нагрузках и холостом ходу можно поддерживать, сохраняя высокой температуру газа перед турбиной и высокую степень давления на этих режимах при помощи количественного регулирования расхода рабочего тела. Конструктивно это достигается при помощи изменения проточной части поворотом направляющих лопаток на входе или выходе из компрессора и сопловых лопаток турбины высокого или низкого давления.
Одним из наиболее простых способов количественного регулирования является установка дросселирующих устройств на входе в компрессор. Таким образом регулируют расход воздуха в ГТУ 2S/150 мощностью 150 л. с. фирмы Ровер (рис. 67). Во
109
Рис. 64. Автомобильные ГТУ мощностью 140 л. с. фирмы Крайслер:
а — ГТУ CR-2A; б — ГТУ А-831; / — стартер; 2 — насос; 3 — привод, регенератора; 4 — компрессор; 5 — регенератор; 6 — камера сгорания; 7 — турбина высокого давления; 8 — поворотные лопатки; 9 — силова» турбина низкого давления; 10 — редуктор; 11 — выпускной патрубок
HO
Рис. 65. Автомобильная ГТУ GT-309 фирмы Дженерал Моторе:
1 — камера сгорания; 2 — регенератор; 3 — турбины; 4 — компрессор; 5 — топливный насос; 6 — редуктор привода вспомогательных механизмов; 7 — стартер; 8 — соединительный вал с фрикционной муфтой; 9 — редуктор
3 4 5 6 7 8 9 10 11
Рис. 66. Автомобильная ГТУ GT-304 мощностью 200 л. с. фирмы Дженерал Моторе:
а — полость подвода подогретого воздуха к камерам сгорания; б — полость выхода горячего газа из турбины;
1 — масляный бак; 2 — входной корпус; 3 — вспомогательные механизмы; 4 — компрессор; 5 — патрубок для выхода воздуха нз компрессора; 6 — регенератор; 7 — уплотнение; 8 — перемычка; 9 — турбина высокого давления; W — турбина низкого давления; И — приводная шестерня регенератора; 12 — опорный валнк регенератора; 13 — выпускной патрубок холостого хода; 14 — выходной вал редуктора; 15 — газосборная камера; 16 — поворотные жалюзи; 17 — камера сгорания
112
входном патрубке этого двигателя установлены поворотные лопатки. В двигателе мощностью 300 л. с. фирмы Остин (рис. 68) диффузор центробежного компрессора снабжен поворотными лопатками [119].
Выполнение поворотных сопловых лопаток турбины высокого давления встречает ряд серьезных затруднений вследствие высоких температур и напряжений в этих элементах. Использование такого способа регулирования в осевых турбинах осложнено. Такое регулирование находит применение только в радиальных центростремительных турбинах, где каждую сопловую лопатку можно выполнить двухопорной. Эти сопла используют
