Газотурбінний двигун конструкція, призначення, принцип роботи

Газотурбінний двигун - являє собою теплової силовий агрегат, який здійснює свою роботу за принципом реорганізації теплової енергії в механічну.

Нижче детально розглянемо, як працює газотурбінний двигун, а також його пристрій, різновиди, переваги та недоліки.

Відмінні риси газотурбінних двигунів

Сьогодні найбільш широко подібний тип моторів використовується в авіації. На жаль, але через особливості пристрою вони не можуть застосовуватися для звичайних легкових автомобілів.

У порівнянні з іншими агрегатами внутрішнього згоряння газотурбінний двигун володіє найбільшою питомою потужністю, що є його основним плюсом. Крім цього такий двигун здатний функціонувати не тільки на бензині, а й на безлічі інших видах рідкого палива. Як правило, він працює на гасі або на дизельному пальному.

Газотурбінний і поршневий двигун, які встановлюються на «легковиках» за рахунок спалювання палива змінюють хімічну енергію палива в теплову, а потім і в механічну.

Але сам процес у даних агрегатів трохи різниться. І в тому і в іншому двигуні спочатку здійснюється забір (тобто повітряний потік надходить в мотор), потім відбувається стиснення і впорскування пального, після цього ТВС загоряється, внаслідок чого сильно розширюється і в результаті викидається в атмосферу.

Різниця полягає в тому, що в газотурбінних апаратах все це проходить в один час, але в різних частинах агрегату. У поршневому ж все здійснюється в одній точці, але по черговості.

Проходячи через турбінний мотор, повітря сильно стискається в обсязі і завдяки цьому збільшує тиск майже у сорок разів.

Єдине рух в турбіні це обертальний, коли як в інших агрегатах внутрішнього згоряння, крім обертання коленвала також відбувається рух поршня.

ККД і потужність газотурбінного двигуна вище ніж у поршневого, незважаючи на те, що вага і розміри менше.

Для економного споживання палива газова турбіна оснащена теплообмінником - диском з кераміки, який функціонує від двигуна з невеликою частотою обертання.

Пристрій і принцип роботи агрегату

За своєю конструкцією движок не дуже складний, він представлений камерою згоряння, де обладнані форсунки і свічки запалювання, які необхідні для подачі пального і видобутку іскрового заряду. Компресор оснащений на валу разом з колесом, що володіє особливими лопатками.

Крім цього мотор складається з таких складових як - редуктор, канал впуску, теплообмінник, голка, дифузор і випускний трубопровід.

Під час обертання компресорного вала, повітряний потік, що надходить через канал впуску, захоплюється його лопатями. Після збільшення швидкості компресора до п'ятисот м в секунду, він нагнітається в дифузор. Швидкість у повітря на виході дифузора знижується, але тиск збільшується. Потім повітряний потік виявляється в теплообміннику, де відбувається його нагрівання за рахунок відпрацьованих газів, а після цього повітря подається в камеру згоряння.

Разом з ним туди потрапляє пальне, яке розпорошується через форсунок. Після того як паливо перемішується з повітрям, створюється паливно-повітряна суміш, яка спалахує завдяки іскрі одержуваної від свічки запалювання. Тиск в камері при цьому починає збільшуватися, а турбінне колесо приводиться в дію за рахунок газів потрапляють на лопатки колеса.

В результаті здійснюється передача крутного моменту колеса на трансмісію авто, а гази викидаються в атмосферу.

Плюси і мінуси двигуна

Газова турбіна, як і парова, розвиває більших обертів, що дозволяє їй набирати хорошу потужність, незважаючи на свої компактні розміри.

Охолоджується турбіна дуже просто і ефективно, для цього не потрібно жодних додаткових приладів. У неї немає тертьових елементів, а підшипників зовсім небагато, за рахунок чого движок здатний функціонувати надійно і тривалий час без поломок.

Головний мінус подібних агрегатів в тому, що вартість матеріалів, з яких вони виготовляються досить висока. Ціна на ремонт газотурбінних двигунів теж чимала. Але, незважаючи на це вони постійно удосконалюються і розробляються в багатьох країнах світу, включаючи нашу.

Газову турбіну не встановлюють на легкові автомобілі, перш за все через постійну потреби в обмеженні температури газів, які надходять на турбінні лопатки. Внаслідок цього знижується ККД апарату і підвищується споживання пального.

Сьогодні вже придумані деякі методи, які дозволяють підвищити ККД турбінних двигунів, наприклад, за допомогою охолодження лопаток або застосування тепла вихлопних газів для обігріву повітряного потоку, який надходить в камеру. Тому цілком можливо, що через деякий час розробники зможуть створити економічний двигун своїми руками для автомобіля.

Серед головних переваг агрегату можна також виділити:

Види газотурбінних двигунів

За своєю будовою дані агрегати поділяються на чотири типи. Перший з них це турбореактивний, його в більшості своїй встановлюють на військові літаки, що володіють високою швидкістю. Принцип роботи полягає в тому, що гази, що виходять на великій швидкості з мотора, через сопло штовхають літак уперед.

Інший тип - турбіновінтовой. Його пристрій від першого відрізняється тим, що він має ще одну секцію турбіни. Дана турбіна складена з ряду лопаток, які забирають залишок енергії у газів, які пройшли через турбіну компресора і завдяки цьому здійснюють обертання повітряного гвинта.

Гвинт може розташовуватися як в задній частині агрегату, так і в передній. Відходять гази виводяться через вихлопні труби. Такий реактивний апарат оснащується на літаках, що літають на низькій швидкості і на малій висоті.

Третій тип - турбовентиляторний, який схожий за своєю конструкцією на попередній двигун, але у нього 2-я турбінна секція забирає енергію у газів в повному обсязі і тому подібні двигуни також мають вихлопними трубами.

Головна особливість такого двигуна в тому, що його вентилятор, закритий в кожух, працює від турбіни низького тиску. Тому движок називають ще 2-х контурним, оскільки повітряний потік проходить через агрегат, що є внутрішнім контуром і через свій зовнішній контур, необхідний тільки для направлення потоку повітря, який штовхає мотор вперед.

Найновітніші літаки обладнані саме турбовентиляторними двигунами. Вони ефективно функціонують на великій висоті, а також відрізняються економічністю.

Останній тип - турбовальний. Схема і пристрій газотурбінного двигуна цього типу майже така ж, як і у минулого движка, але від його вала, який приєднаний до турбіни, приводиться в дію практично всі. Найчастіше його встановлюють в вертольоти, і навіть на сучасні танки.

Двопоршневий і малорозмірний двигун

Найбільш поширений двигун з двома валами, обладнаний теплообмінником. У порівнянні з агрегатами, у яких всього 1 вал, такі апарати більш ефективні і потужні. 2-х вальний двигун оснащений турбінами, одна з яких призначена для приводу компресора, а інша для приводу осей.

Подібний агрегат забезпечує машині хороші динамічні характеристики і скорочує кількість швидкостей в трансмісії.

Також існують малорозмірні газотурбінні двигуни. Вони складаються з компресора, газо-повітряного теплообмінника, камери згоряння і двох турбін, одна з яких знаходяться в одному корпусі зі збіркою газу.

Малорозмірні газотурбінні двигуни застосовуються в основному на літаках і вертольотах, які долають великі відстань, а також на безпілотних літальних пристроїв і ВСУ.

Агрегат зі вільно поршневим генератором

На сьогоднішній день апарати цього типу є найбільш перспективними для авто. Пристрій движка представлено блоком, який з'єднує поршневий компресор і 2-х тактовий дизель. В середині знаходиться циліндр з наявністю двох поршнів об'єднаних один з одним за допомогою спеціального пристосування.

Робота движка починається з того, що повітря стискається під час сходження поршнів і відбувається спалах пального. Гази утворюються за рахунок згорілої суміші, вони сприяють розбіжності поршнів при підвищеній температурі. Потім гази опиняються в газо-збірнику. За рахунок продувних щілин в циліндр потрапляє перетиснений повітря, що допомагає очистити агрегат від відпрацьованих газів. Потім цикл починається заново.