Суббота, 21.05.2022, 00:19
Приветствую Вас Гость | RSS
Девятнадцатая олимпиада посвящена 175-летию со дня рождения Н.Е.Жуковского
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Работы 1-го тура » Готовые работы

Перспективы развития автомобилей с газотурбинным двигателем

Глеб Андреевич Красносельских, 18 лет,  город Уфа, Республика Башкортостан, Российская Федерация
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Уфимский государственный авиационный технический университет»
Уфимский авиационный техникум
Выполнил: студент УАТ
Красносельских Глеб Андреевич
Научный руководитель:
Дикова Флорида Амировна

Перспективы развития автомобилей
с газотурбинным двигателем

Содержание

Введение
1.  История возникновения и развития газотурбинных автомобилей
2.  Принцип работы газотурбинного автомобиля
3.  Преимущества и недостатки газотурбинного автомобиля
4.  Перспективы развития газотурбинного автомобиля
Заключение
Список литературы

Введение

В авиационной промышленности газотурбинные двигатели полностью вытеснили поршневые даже в сравнительно небольших установках. Сейчас всё чаще газовые турбины применяют в судостроении и теплоэлектростанциях. Такие турбины дают максимальную мощность при постоянной частоте вращения ротора, частичные нагрузки при максимальной частоте вращения не используются и нет необходимости в быстром изменении мощности и частоты вращения [4].

Всё больше растёт интерес к применению таких установок для привода автомобиля. Существует множество факторов, которые доказывают их преимущество, поэтому в наше время многие крупные компании ведут разработки газотурбинных автомобилей.

Цель моей работы: Исследовать – когда появились первые газотурбинные автомобили и какие у них перспективы в настоящее время.

В соответствии с целью работы решаются следующие задачи:

  1. Исследовать историю возникновения и развития газотурбинных автомобилей
  2. Изучить принцип работы газотурбинных автомобилей
  3. Рассмотреть преимущества газотурбинных автомобилей
  4. Рассказать о перспективах развития газотурбинных автомобилей

1. История возникновения и развития газотурбинных автомобилей

В конце 19 века в городе Петербурге русский автомобилист Николай Александрович Песоцкий стал автором книги «Самодвижущиеся экипажи» [3], в которой он описал конструкцию газовой турбины, рассматривая её как очень перспективный автомобильный двигатель. Позже в своих трудах такие авторы как Николай Романович Брилинг, Пётр Орловский и многие другие представляют данные по газовым турбинам и высказываются о их возможных преимуществах для применения в автомобилестроении. Если не брать во внимание то, что идея газовой турбины была высказана ещё в 1500 году Леонардо да Винчи, а патент на её изготовление был взят Джоном Барбером в 1791 году, то первые опытные образцы газовой турбины появились только в конце XIX века. В 1897 году русский инженер морского флота Кузьминский Павел Дмитриевич создал первую парогазовую турбину [13]. Немного позднее, в 1907 году французские конструкторы Арменго и Лемаль получили первую полезную мощность от газовой турбины. Опытные газовые турбины начали создавать в XX в. В 30-е годы газовые турбины были усовершенствованы и их стали применять в промышленности в качестве двигателей.

Первый проект газотурбинного автомобиля был предложен ещё в 1906 году в Англии Нельсоном, но в то время постройка такой машины была невозможна, так как газовая турбина не имела оформления даже в стационарном варианте. Только после усовершенствования газовых турбин в авиации можно было приступить к установке подобных двигателей на автомобиль, первые попытки состоялись по окончанию второй мировой войны. Первыми постройку газотурбинных установок для автомобилей начала английская компания Rover [8]. Результаты своего труда она опубликовала уже в 1946 году. Не имея понятие, к чему приведут их разработки, фирма Rover начала создание экспериментальной открытой двухместной машины под названием Jet-1, которая должна была иметь заднее расположение двигателя. Ещё три года ушло на доработку базового легкового шасси Р-4 без коробки передач, а также на выбор схемы ГТД и испытание первого работоспособного двигателя Т-5 в 100 сил.

Установленный в нём центробежный компрессор мог вращаться с частотой до 40 тысяч оборотов в минуту, а вал турбины развивал около 26 тысяч оборотов, из-за чего ввели понижающую передачу на колёса. В 1950 году состоялась презентация Jet-1. Уже через два года начались испытания усовершенствованной модели с 230-сильной турбиной Т-8. Ключевым качеством этого ГТД стала его плавность работы, но слишком высокая температура работы требовала использования редких и дорогих металлов, а расход авиационного керосина вырос до 50 литров на 100 километров. В 1956 году фирма Rover вернулась к ГТД второго поколения с новой 100-сильной турбиной 2S/100 и теплообменником производства компании British Leyland. Её установили в задней части автомобиля T-3 с полным приводом и стеклопластиковым кузовом на сварной раме усилителями, сделанными из алюминия и дисковыми тормозами. С помощью этого они смогли достигнуть максимальной скорости в 170 км/час, а также сократить расход топлива до 22 литров на 100 км, но в тот момент компания уже не могла выделять достаточно средств на развитие этого проекта.

Несмотря на огромные расходы, уже в 1961 году компания выпускает переднеприводную легковушка Т-4 с 140-сильным агрегатом 2S/140, расположенного в передней части, и четырехместным несущим кузовом для будущей серийной модели Rover-2000. Её максимальная скорость достигла 200 км/час и с места до 100 км/час она могла разогнаться всего за восемь секунд. Позже стали появляться новости о начале опытов по установке газотурбинных двигателей на автомобилях других фирм, которые представили опытные образцы уже в 1950-х годах, но указывавшие, что опыты они начали в то же время, что и фирма Rover, но не сообщали об этом до тех пор, пока не изготовили пригодных для испытаний машин.

В одно время с Rover разработку автомобилей с газотурбинным двигателей вели и другие известные компании. Одной из таких компаний была «General motors». Когда до Америки дошли слухи о начале разработок в Европе принципиально новых, но ещё не испытанных автомобилей с газотурбинным двигателем к их созданию сразу же приступили ведущие автомобильные компании США. Одной из первых стала компания «General motors». За достаточно небольшой срок она собрала три опытных, но при этом полностью работоспособных образца серии GM Firebird (В переводе «Огненная птица»), более известные своим необычным, революционным самолётным стилем и брутальным внешним видом, чем высокими техническими характеристиками. Дизайном данных моделей занимался лично вице-президент компании Харли Эрл. В декабре 1953 года с их первым газотурбинным автомобилем Firebird XP-21 (Firebird I) произошёл интересный конфуз: его приняли за одноместный реактивный истребитель с короткими крыльями, хвостовым стабилизатором и задним соплом, поставленным на четыре колеса. Но если присмотреться, то под стеклопластиковым кузовом можно было разглядеть 380-сильный газотурбинный двигатель GT-302 компании Allison, весивший около 350 кг, который мог разогнать этот «самолёт» до скорости примерно в 370 км/час. Этот автомобиль снабжался независимой подвеской и тормозными барабанами, расположенными внутри. Спустя три года работы был представлен более совершенный четырёхместный вариант Firebird II (XP-43) с новым двигателем GT-304 мощностью в 200 сил, которым имел рабочий режим 25 тысяч оборот в минуту и дисковые тормоза. Этот автомобиль стал больше похож на гоночный автомобиль с передним обтекателем, в который были встроены фары, небольшими крыльями по бокам корпуса, полностью прозрачной крышей-фонарём и характерным хвостовым оперением. В отличие от предыдущей модели, в эту добавили множество нововведений, таких как: бортовой компьютер, двухсекционные двери и блок автоматического переключения световых приборов. Вслед за ним появилась третья, более приземистая, шестиметровая «Сказочная огненная птица» под названием Firebird III (XP-73) с 225-сильным двигателем GT-305, оснащенная самолётным фонарём и стеклопластиковыми кузовными панелями, ножевидными кромками дверей, крыльев и всевозможных хвостов. Для питания всех систем, в том числе и кондиционера с круиз-контролем, на борту был установлен небольшой двигатель в десять сил.

В СССР тоже предпринимались попытки установить газотурбинные двигатели на тяжёлые грузовики из-за его очевидных преимуществ. Основными можно считать удельную мощность, всеядность и отсутствие возвратно-поступательного движения деталей. Финансирование проекта взяло на себя Минобороны СССР. Бортовой автомобиль с двигателем ГАЗ‑99 ДМ получил наименование КрАЗ-Э260 Е. В ходе испытаний он прошел 2500 км — к мотору претензий не было.

2. Принцип работы газотурбинного автомобиля

Принцип газотурбинного двигателя автомобиля достаточно простой. В камере сгорания воспламеняется топливо, газы под высоким давлением подаются на лопатки турбины, турбина начинает вращаться. На одном валу с турбиной находится компрессор, который, будучи приводимым в движение турбиной, нагнетает воздух в камеру сгорания [5]. Если взять в пример авиацию, то на этом же валу спереди может находится винт или более мощный компрессор, который в свою очередь прогоняет воздух через весь двигатель и создает воздушную струю и тягу для летательного аппарата. Но к этому валу можно прицепить не только компрессор или винт, но и электрогенератор или коробку передач, а через неё уже соединить с колесами автомобиля. Как вы видите, конструкция подобного двигателя гораздо проще, чем аналогичный поршневой двигатель ДВС. Меньше деталей и трущихся частей – одно из ключевых преимуществ газотурбинных двигателей. Второе неоспоримое преимущество – это высокая удельная мощность.

При одинаковых габаритах и массе двигатель ГТД способен выдавать более высокие мощности. Этот факт стал решающим для использования их в авиастроении. Режим работы такого двигателя может управляться как плавно, при помощи автомата подачи топлива или регулированием углов установки лопаток соплового аппарата, так и ступенчато – отсечкой подачи топлива. После того, как водитель убирает ногу с педали газа, автоматика отключает подачу топлива, но двигатель продолжает работать: некоторое время вращение поддерживается остаточной тепловой энергией, накопленной роторами теплообменников. При следующей нажатии на педаль газа подача топлива возобновляется. В отличие от авиационных турбомоторов свеча, поджигавшая топливо, подключена к магнето постоянно, поэтому горение возобновляется почти без задержки. Смазка машинным маслом, применяемая в поршневых двигателях, в газотурбинных установках может применять только в малонагруженных узлах, таких как редуктор или привод регенератора. В подшипниках газотурбинных валов, работающих при больших оборотах и температуре, конструкторы в основном применяют газовые подшипники. Воздух в зазоры подшипников, которые составляют всего несколько микрон, нагнетает сама турбина.

3. Преимущества и недостатки газотурбинного автомобиля

Главными преимущества ГТД перед поршневыми двигателями считают:

  1. Высокий КПД. В продвинутых промышленных установках КПД может достигать даже 90%, но в автомобилях в среднем – 65%.
  2. Меньшие габаритные размеры
  3. Высокая удельная мощность
  4. Простота конструкции. Меньше деталей и трущихся частей
  5. Отсутствие вибраций, так как вращающиеся детали можно легко сбалансировать
  6. Более простое обслуживание, так как отпадает необходимость замены масла, которое не взаимодействует с горячими газами; минимальные потери трения в подшипниках, малый износ и большая долговечность
  7. Малый уровень шума и возможности дальнейшего его снижения
  8. Крайне малое содержание вредный веществ в отработавших газах вследствие большого коэффициента избытка воздуха при сгорании в турбине.
  9. «Всеядность». Как утверждают разработчики: «Они могут работать на всём, что течёт и горит». В качестве топлива может использоваться самое разнообразное горючее. Например: природный газ, бензин, дизельное топливо, керосин, мазут, судовое топливо, водный газ и даже измельченный уголь.

К недостаткам же можно отнести:

  1. Высокий расход топлива на переходных режимах: на холостом ходу и при повышении скорости
  2. Высокая температура газов, попадающих на лопасти турбины. Из-за этого приходится использовать более дорогостоящие металлы и сплавы.
  3. Необходимость использования воздушного фильтра внушительного размера.

4. Перспективы развития автомобилей с газотурбинным двигателем

Проведя анализ конструкции автомобильных двигателей, созданных на протяжении всей истории, на основе современных технологий и знаний в области автомобилестроения сделаем вывод о перспективах развития автомобильных газотурбинных двигателей в ближайшем будущем. На большинстве видов транспорта, в особенности на грузовых и крупногабаритных автомобилях, наиболее перспективной силовой установкой с точки зрения мощности является ГТД. На данных момент массовый выпуск подобных автомобилей не начат только по одной причине – недостаток нужного оборудования на производствах. Предприятия, понёсшие огромные растраты на переоборудование автомобильной промышленности ещё в 50-е годы хотят выжать как можно больше из уже имеющегося на руках оборудования. Старое оборудование будет использоваться еще как минимум от пяти до пятнадцати лет, что не нести «лишних» затрат на подготовку к производству 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.

Вся автомобильная литература о газотурбинных двигателях говорит нам о том, что полноценное производство можно будет наладить только через пять или десять лет, а возможно и гораздо больше. Скорее всего, эти автомобили будут оборудованы турбиной с свободнопоршневым генератором газа [10]. Для грузовых машин, автобусов и другой крупно габаритной колёсной техники подобные установки будут ещё более перспективными, так как не будет никаких проблем с местом для установки теплообменников и турбин, а мощности в 150-250 сил – рациональны и достаточно практичны. В более крупных автомобилях, в больших грузовиках или самосвалах грузоподъёмность от сорок до пятидесяти тонн, существует возможность установки сразу нескольких турбин мощностью 250 л.с. Например, при сложных подъёмах, трудных и быстрых разгонах будут работать сразу две газовые турбины, а в остальное время спокойной езды будет достаточно мощности одной турбины.

5. Заключение

В результате проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

  1. Благодаря своим неоспоримым преимуществам газотурбинные установки являются очень перспективными для установки на автомобильный транспорт: высокий кпд, простота конструкции, низкий уровень шума, высокая экологичность, экономичность, возможность работы на любом топливе и другие преимущества.
  2. Особенно полезным это будет для техники с большими весом и габаритами, так как появится возможность установки более мощного двигателя без увеличения габаритных размеров.
  3. Перспективен переход в легковых автомобилях от поршневых двигателей к газотурбинным благодаря их экономичности.
  4. История создания и развития газотурбинных автомобилей подтверждает возможность и необходимость их развития в будущем.

Список используемой литературы

  1. Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели /      Пермь, изд-во ОАО «Авиадвигатель», 2006г., 1204 с.
  2. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. Иноземцев А.А., Нихамкин М.А., Сандрацкий В.Л./ Том 1,  Пермь, изд-во ОАО «Авиадвигатель», 2008г., 207 с.
  3. Песоцкий Н. Самодвижущиеся экипажи с паровыми, бензиновыми и электрическими двигателями; экипажи с педалями. /СПб. Типо-Литография М. М. Розеноер 1899г. 168 с.
  4. http://icarbio.ru/articles/gazoturbinnyj-dvigatel.html
  5. Неверно оформленная ссылка
  6. https://insideevs.ru/features/422671/chto-takoe-gazoturbinnyie-dvigateli-pochemu-oni-ne-prizhilis-v-obyichnyih-mashinah-i-kak-ih-budut-ispolzovat-v-gibridah/
  7. https://insideevs.ru/features/422671/chto-takoe-gazoturbinnyie-dvigateli-pochemu-oni-ne-prizhilis-v-obyichnyih-mashinah-i-kak-ih-budut-ispolzovat-v-gibridah/
  8. Неверно оформленная ссылка
  9. http://www.motorpage.ru/interview/JEvoljucija_DVS_dostigla_pika.html
  10. https://autoxs.ru/stati/pro-avto/346-chto-luchshe-gazovaja-turbina-ili-dvs.html
  11. Неверно оформленная ссылка
  12. https://www.zr.ru/content/articles/922832-poluzabytyj-proekt-sssr-gruzo/
  13. https://sptechnika.ru/stroitelnaya-spectexnika/istoriya-gazoturbinnyx-ustanovok-gtu/
Категория: Готовые работы | Добавил: Service (31.12.2021) | Автор: Красносельских Глеб Андреевич E W
Просмотров: 123 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
19-я ОЛИМПИАДА
ЗАВЕРШЁНА!
ИТОГИ ОПУБЛИКОВАНЫ
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ
В 20-Й ОЛИМПИАДЕ
НАЧНЁТСЯ 1 ОКТЯБРЯ
Календарь
Их многие читают
Водолазов Николай Александрович (1643)
Хабаров Кирилл Игоревич (1167)
Зельфельянов Руслан Геннадьевич (994)
Шишкин Кирилл Ярославович (727)
Синцов Александр Александрович (634)
Татаринова Анастасия (613)
Сапрыкин Максим (554)
Ястребов Глеб Владимирович (542)
Шамаев Тимур Наилевич (503)
Гембицкий Егор Александрович (481)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2022