Газотурбинные двигатели

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Волгоградский Государственный  Технический Университет

Кафедра автомобильного транспорта

 

 

 

 

 

 

 

Семестровая работа

Газотурбинные двигатели.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:       студент гр. АТ-217

Щукин А.П.

             Проверил:  Липатов Е.Ю.

 

 

 

Волгоград 2012

 

Оглавление

Введение 3

Принципы реактивной тяги. 5

Общее устройство газотурбинных двигателей. 8

Рабочий цикл. 9

Характеристики камеры сгорания 12

Недостатки и преимущества газотурбинных двигателей по сравнению с поршневыми ДВС. 16

Перспективы применения газотурбинных двигателей на автомобильном транспорте. 18

Список литературы. 19

 

 

Введение

Разработка газотурбинных  двигателей в качестве силовой установки  самолета была настолько стремительной, что трудно поверить, что до 50-х  годов немногие люди слышали о  таком методе создания тяги самолета.Возможность  использования реактивной струи  интересовала авиационных конструкторов  длительное время, но вначале малые  скорости первых самолетов и неприспособленность  обычного поршневого двигателя для  создания обширного воздушного потока высокой скорости, необходимого для  «реактивной струи» вызывало немало препятствий.Французский инженер  Рене Лорин запатентовал реактивный двигатель (рис. 1-1) в 1913 году, но это  был прямоточный реактивный двигатель  и в тот период, во-первых, было невозможно его изготовить и использовать, поскольку подходящихтермостойких материалов еще не было создано и, во-вторых, реактивная установка была бы весьма непрактичной на малых скоростях  самолетов того времени. Однако,сегодняшние  современные прямоточные воздушные  двигатели очень напоминают концепцию  Лорина. В 1930 году Фрэнк Уитлл  посвятил свой первый патент использованию  газовой турбины для создания реактивной тяги, но прошло еще 11 лет  до того, как его первый двигатель  совершил первый полет. Двигатель Уитлла создал основу для современных газотурбинных  двигателей и с этого момента  началась разработка Роллс-ройсом двигателей Уилланд, Дервент, Нини и Дарт. Турбореактивные  двигатели Дервент и Нини имели  всемирное применение для военных  целей; Дарт стал наиболее известным  турбовинтовым двигателем как силовая  установка самолета Викерс Висконт. Также другие самолеты могли быть оснащены; более поздними двигателями называемыми двухкаскадными, трехкаскадными, двухконтурными, с проходным вентилятором, непроходным вентилятором и турбовентиляторными, они являются неизбежным следствием развития их предшественника двигателя Уитлл. Реактивный двигатель (рис. 1-2) также выглядит непохожим на сочетание  поршневых двигателей с пропеллером, использующих некоторые одинаковые базовые принципы для получения  тяги. Как показано на рис. 1-3, оба  двигают свои самолеты исключительно  за счет отбрасывания больших масс воздуха назад. Хотя сегодня известность  реактивной тяги связана с газотурбинными двигателями, существуют и другие типы двигателей с реактивной тягой, такие  как прямоточные воздушно-реактивные двигатели, импульсной тяги, ракетные, турбо- ВРД и турборакетные.                 Принципы  реактивной тяги. Реактивная тяга является практическим применением третьего закона Ньютона о движении, который  заключается в том, что «всякое  действие на тело равно реакции противодействия». Для двигательной установки самолета «тело» - это атмосферный воздух, который вынужден ускоряться при  прохождении через двигатель. Сила, требуемая для придания такого ускорения, имеет равное влияние  в обратном направлении, вызывая  ускорение аппарата. Реактивный двигатель  создает тягу аналогичным путем, как и сочетание, двигатель –  пропеллер. Оба вида двигателей аналогичны, и пропеллер самолета путем отбрасывания больших масс воздуха в обратном направлении движению самолета (рис. 1-3): одна из форм проталкивания больших  масс воздуха с относительно малой  скоростью и вторая форма выбрасывание реактивных газов с высокой скоростью.                         Один и тот же принцип реакции создается во всех формах перемещения и используется разными путями. Первые известные примеры реактивной реакции представлены двигателем Герона (рис. 1-4), созданного в виде игрушки в 120 году до нашей эры. Эта игрушка показывает, как моменты струй пара из нескольких сопел могут создавать равновеликую и противодействующую реакцию относительно самой струи, которая создает вращение самого двигателя. Знакомые с разбрызгивателем воды в саду (рис. 1-5) могут убедиться  в большей практичности использования  этого принципа, для вращающегося механизма используется сила струи  воды. Струя высокого давления пожарного  оборудования может управляться  пожарным за счет реактивной реакции. Аналогичный пример этого принципа используется в воздушных шариках, которые при освобождении сжатого  воздуха летят в направлении  обратном выходящей струе. Реактивная реакция исключительно  внутреннее явление и не так часто  является результатом воздействия  струи на атмосферу. Фактически реактивный двигатель, ракеты или самолета, является частью аппарата, предназначенного для  разгона струи воздуха или  газа для выбрасывания ее с высокой  скоростью. Конечно, существует много  путей для ее разгона, как описано  в разделе 2, но во всех случаях, конечная реакция или тяга, приложенная  к двигателю пропорциональна  массе или весу выбрасываемого воздуха  двигателем и скорости выполнения этого  процесса. Другими словами, одинаковая тяга может создаваться или большой  массой воздуха с малой скоростью  или малой массой с большой  скоростью. На практике предпочтительнее является первый вариант, поскольку  скорость реактивной струи относительно атмосферы обеспечивает больший  КПД силовой установки.

 

Общее устройство газотурбинных двигателей.

 Все большее распространение  в современном транспорте получают  газо-турбинные двигатели. Газотурбинная  установка состоит из воздушного  компрессора, камер сгорания и  газовой турбины. Компрессор состоит  из ротора, укрепленного на одной  оси с турбиной, и неподвижного  направляющего аппарата. При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за компрессором повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора повышают давление воздуха в 5-7 раз .

Процесс сжатия протикае адиабатно, поэтому температура воздуха  повышается до температуры 200`с и  более.  Сжатый воздух поступает  в камеру сгорания. Одновременно через  форсунку в нее впрыскивается  под большим давлени-ем жидкое топливо - керосин, мазут. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500 - 2200 `с. N Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается. Движущийся с огромной скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная часть используется для вращения винта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля. Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель.Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяжести, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта.

Турбореактивными двигателями  оборудованы известные всему  миру самолеты ИЛ - 62, ТУ - 154.

 

Рабочий цикл.

Рабочий цикл газотурбинного двигателя аналогичен тому, что и  в четырехтактном поршневом двигателе. Однако, в газотурбинном двигателе, горение происходит при постоянном давлении, в то время как в поршневом, это происходит при постоянном объеме. Оба цикла двигателей (рис. 2-1) показывают, что в каждом случае есть впрыск, сжатие, горение и выброс. Эти  процессы разделены в случае поршневого двигателя, в то время, как в газотурбинном  двигателе происходят непрерывно.

В поршневом двигателе  используется только один ход для  создания мощности, остальные используются для заполнения, сжатия и сгорания рабочего тела. В отличие от этого, турбинный двигатель устраняет  три «холостых» хода, обеспечивая, таким  образом, использование большего количества топлива в процессе сгорания и  за более короткое время; поэтому  он создает большую выходную мощность для данного размера двигателя 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из-за непрерывного действия турбинного двигателя, и ввиду того, что камера сгорания не является замкнутым  пространством, давление воздуха не растет так, как это происходит в  поршневом двигателе при сгорании, но объем его возрастает. Этот процесс  известен как горение при постоянном давлении. В таких условиях не существует пиковых давлений или их колебаний  до противоположных величин, так  как это происходит в поршневом  двигателе , в котором пик давления превышает 1000 фунтов на кв. дюйм (70 кг на кв. см). Оно является пиковым давлением, которое делает необходимым выполнение поршневого двигателя в виде прочной конструкции для использования высокооктановых топлив, в противоположность низкооктановым, и камерам сгорания легкой конструкции, используемым в турбинных двигателях.

Рабочий цикл, в котором  работает турбинный двигатель, представляет в простейшей форме диаграмму, изображенную на (рис. 2-2). Точка А представляет атмосферное давление, которое нарастает  по линии АВ. От В к С добавляется  тепло к воздуху путем впрыска  и сжигания топлива при постоянном давлении, тем самым предполагая  увеличение объема воздуха. Потери давления в камере сгорания (раздел 4) показаны падением наклона линии между  точками В и С. От точки С  к D газ за счет расширения при горении  проходит через турбину и реактивную трубу обратно в атмосферу. В  этой части цикла часть энергии  расширяющихся газов превращается в механическую энергию на турбине; остальная при расширении на выходе в атмосферу обеспечивает реактивную тягу.

Поскольку турбореактивный  двигатель является тепловым, то при  повышении температуры горения  газы расширяются сильнее. Температура  горения, однако, не должна превышать  величин, которые создают температуру  газа на входе в турбину, соответствующую  конструкции и материалу узла турбины. 
Использование охлаждаемых рабочих лопаток в узле турбины позволяет создавать большие температуры газа на турбине и, соответственно, больший термический КПД.

 

 

 

 

 

 

Характеристики  камеры сгорания

Камера сгорания должна обеспечивать эффективное сгорание топлива в  широком диапазоне условий эксплуатации без проявления больших потерь давления. Кроме того, если возникнет срыв пламени, тогда должна быть возможность  повторно разжечь его. Для выполнения этих функций жаровая труба и  компоненты распыления топлива форсунки должны иметь механическую надежность.  Газотурбинный двигатель работает в цикле постоянного давления, более того любая потеря давления в процессе горения должна сводиться к минимуму. Для обеспечения соответствующих параметров турбулентности и смешивания, общие потери давления должны колебаться в пределах 3 – 8% от давления воздуха поступающего в камеру.    Интенсивность горения                Тепло отдаваемое камерой сгорания или другим генерирующим устройством нагрева зависит от объема зоны горения. Таким образом, для получения требуемой высокой мощности, сравнительно небольшая и компактная камера сгорания газовой турбины должна выделять исключительно высокие величины тепла.               Например, на взлетном режиме двигатель РБ211-524 Роллс-ройс потребляет 20635 фунтов топлива в час (9368 кг топлива в час). Топливо имеет теплотворную способность примерно 18,550 Британских калорий на фунт, тем более камера сгорания выделяет почти 106300 Британских калорий в секунду. Выразив это иным путем получим потенциальный темп выделения тепла эквивалентен примерно мощности 150000 л.с.    Эффективность горения                Эффективность горения большинства газотурбинных двигателей на уровне моря при взлетом режиме равна почти 100%, при снижении до 98% при крейсерском режиме на высоте полета, как показано на рис. 4-10.        Стабильность  горения               Стабильность горения означает плавность сгорания и возможность поддержания устойчивости пламени в широком диапазоне режимов.  Для каждого типа камеры сгорания существуют пределы по обогащению и обеднению топливовоздушной смеси, за которыми пламя гаснет. Угасание наиболее вероятно происходит в полете при наборе или снижении с задросселированным двигателем, когда интенсивный поток воздуха и малая подача топлива, т.е. очень обедненная смесь.  Диапазон границ обогащения и обеднения смеси топлива снижается с нарастанием скорости воздуха, и если расход воздуха возрастает за пределы определенных значений, возникает затухание пламени. Типичный контур стабильности показан на рис. 4-11. Рабочий диапазон, задаваемый контуром стабильности должен наглядно перекрывать соотношения воздуха с топливом и массовые величины потока через камеру сгорания.      Процесс разжигания имеет границы  обогащенной и обедненной смеси, аналогичные тем, что показаны для  стабильности на рис. 4-11. Контур розжига, однако, лежит в границах контура  стабильности, поскольку более трудно создать условия горения в  «холодном» состоянии, чем поддерживать нормальное горение.    Выбросы              Нежелательные загрязнения, которые обнаруживаются в выходящих газах, создаются в камере сгорания. Существуют четыре типа загрязнителей, которые контролируются законодательно; несгоревшие углеводороды (топливо), дым (частицы углерода), окись углерода и окись азота. Основными условиями, влияющими на образование загрязнений, являются давление, температура и время.               В первичной зоне области обогащенные топливом происходит преобразование углеводородов в окись углерода и дым. Разбавление свежим воздухом может использоваться для последующего окисления окиси углерода и дыма в нетоксичную двуокись углерода в пределах области смешивания. Концентрация несгоревших углеводородов может также снижаться в этой области за счет продолжения процесса горения для обеспечения полноты сгорания.   Окислы азота образуются в тех условиях, какие требуются для сокращения других загрязнителей. Более того, потребуется быстрее охлаждать пламя, насколько возможно, чтобы снизить располагаемое время для горения. Это противоречие требует соблюдения компромиссных условий, но улучшение конструкций камер сгорания и их характеристик ведут к значительному «очищению» процесса горения.      Материалы             Ограничительные стенки и внутренние детали камеры сгорания должны выдерживать очень высокие температуры газа в первичной зоне. Практически, это достигается с использованием наиболее термостойких материалов из имеющихся, использованием термостойких покрытий и охлаждением внутренних стенок жаровой трубы в качестве изоляции от воздействия пламени.  Камера сгорания должна выдерживать коррозию, вызываемую продуктами горения, повреждения от крипа, вследствие перепада температур и усталостные нагрузки из-за напряжений вибрации.

 

 

 

 

 

Недостатки и преимущества газотурбинных двигателей по сравнению с поршневыми ДВС.

 

Газотурбинные двигатели (ГТД) обладают целым рядом преимуществ перед обычными ДВС: малыми габаритами (если принять при равной мощности габаритный объем карбюраторного ДВС за 100%, то у дизеля этот показатель будет составлять 144%, а у ГТД — лишь 28%); малой массой (около 0,5 кг на одну лошадиную силу, что в 2 раза меньше, чем у лучших образцов карбюраторных ДВС); высокой плавностью хода (нет частей, совершающих возвратно-поступательное движение, как у обычных ДВС); простотой конструкции (общее число деталей ГТД составляет около 200, а карбюраторного двигателя — около 900); надежностью пуска при низких температурах; меньшей токсичностью отработавших газов; более благоприятной тяговой характеристикой (практически не требуется коробка передач) и т.д. 

Наряду с немалыми достоинствами  газотурбинные двигатели имеют  ряд существенных недостатков, которые  обусловливают отсутствие серийного  выпуска газотурбинных автомобилей. Главный недостаток газотурбинной  установки с камерами сгорания —  низкий к. п. д., что обусловлено существенно  меньшим перепадом тепла в  рабочем процессе по сравнению с  поршневым двигателем внутреннего  сгорания. Благодаря пульсирующему  принципу работы в поршневом двигателе  температура достигает 2500° (а иногда и выше), в то время как температура  поршня не превышает 600° (в подавляющем  большинстве конструкций значительно  ниже). Непрерывность процесса в газовой турбине заставляет лопатки турбины работать с температурой, равной температуре газа, а прочность лопаток не позволяет иметь такую высокую температуру газа, которая обеспечивала бы высокие к.п.д. Без дополнительных устройств газотурбинный двигатель имеет к.п.д. на валу турбины, обычно не выше 20%. Если низкий к.п.д. обусловливает высокие расходы топлива на полной мощности, то на частичных нагрузках экономичность его по сравнению с поршневым двигателем еще более ухудшается, а автомобильный двигатель, как известно, на частичных нагрузках работает более продолжительное время, чем на полной мощности.

Применение теплообменников, использующих тепло отработавших газов  для подогрева воздуха, идущего  из компрессора в камеру сгорания, несколько увеличивает экономичность, но увеличивает вес и габаритные размеры двигателя. Рекордное значение к.п.д. (27%) достигнуто в настоящее  время фирмой Форд усложнением установки, при котором сведен на нет выигрыш  в весе. Теплообменники не спасают  также от сильного ухудшения экономичности  на частичных нагрузках.

При работе двигателя на режиме максимальной мощности ухудшение  экономичности газотурбинного автомобиля по сравнению с обычным автомобилем  несколько уменьшается вследствие лучшей динамики на постоянной передаче. 
Если бы автомобили работали без коробок передач, то этот выигрыш в экономичности был бы принципиальным и мог бы оказаться решающим в общем сравнении расходов топлива, однако при работе в обычных условиях это обстоятельство лишь несколько уменьшает снижение экономичности.

Газотурбинные двигатели  имеют меньший срок службы, чем  поршневые двигатели, так как  при высокой температуре и  высоких скоростях газа происходит износ и изменение формы лопаток.

Внедрению в промышленность газотурбинных автомобилей мешает также необходимость в значительных количествах таких остродефицитных  материалов, как никель, кобальт  и т. п. 
Если вес ГТУ удается снизить по сравнению с поршневым двигателем той же мощности, то выигрыш в объеме почти отсутствует, так как расход воздуха, больший в 3—4 раза, вызывает необходимость в размещении объемистых газопроводов. Значительно больший расход воздуха обусловливает и значительно больший шум газотурбинной установки на впуске и выпуске.

Перспективы применения газотурбинных двигателей на автомобильном транспорте.

 

Возможно, что перспективной  силовой установкой на ряде типов  автомобилей является газотурбинная. Выпуск их еще не начался и пока не продано ни одного газотурбинного автомобиля. Это можно объяснить  прежде всего тем, что, произведя  громадные затраты на пере-, оборудование автомобильной промышленности в 50-х  годах, владельцы предприятий хотят  использовать обо рудование заводов  еще 5-10 лет, чтобы не нести затрат на новое переоборудование промышленности для выпуска газотурбинных автомобилей. Начав продажу газотурбинных  автомобилей, промышленники будут  вынуждены их выпускать, хотя бы серийно, а в это время их могут обогнать конкуренты, получившие вместе с купленными машинами в свои руки секреты конструкции  так тщательно до сих пор скрываемые. Правда, во всей автомобильной литературе о газо: турбинных автомобилях содержатся уверения, что наладить их производство можно только через 5-10 лет, а, может быть, и через больший срок. По всей вероятности основным типом двигателя газотурбинного автомобиля будет газовая турбина со свободно-поршневым генератором газа. Для грузовых автомобилей и автобусов газовые турбины более перспективны, чем для легковых, так как здесь нет затруднений в расположении теплообменников и турбин, а мощности 150-250 л. с.- наиболее рациональны и практичны. В случае надобности, например, для автомобилей-самосвалов грузоподъемностью 40- 50 г рационально ставить две турбины мощностью по 200-250 л. с. Обе вместе они будут работать только при быстрых и трудных разгонах, при езде в гору и на тяжелых дорогах, в остальное время достаточно работы одной турбины.

 

 

 

 

Список литературы.

1. http://1.aleksjet.com/index.php?option=com_content&view=section&layout=blog&id=1&Itemid=2
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/газотурбинный_двигатель
3. Уваров В. В. и Чернобровкин А. П., Газовые турбины, М., 1960.
4. Газотурбинные установки. Атлас конструкций и схем, М., 1967.
5. Основы проектирования и характеристики газотурбинных двигателей, [пер. с англ.], М., 1964.