7k
10 лет назад · 10 фото · 3016 просмотров · 7 комментариев
Газовая турбина возвращается? (10 фото)
Метки: #Авто #двигатели #перспективы #техники
Шестьдесят пять лет назад в США началась опытная эксплуатация седельного тягача Kenworth 500-серии. Его особенностью был газотурбинный двигатель, а испытания проходили в рамках совместного проекта Kenworth Trucks и Boeing. Мотор развивал 175 л.с., но весил всего 90 кг! Автопоезд сделал несколько коммерческих рейсов между Сиэтлом и Лос-Анджелесом (≈1850 км), но, увы (и среди прочих замечаний): на трассе расход топлива достигал... 240 л/100 км! Однако...
1. Однако в сентябре 2015 года на дороги США вышли первые турбоэлектрические грузовики с моторами компании "Wrightspeed Powertrans" Иана Райта (Ian Wright), сооснователя Tesla Motors. Один из них на фото. По сравнению с дизельными машинами такой же массы здесь: экономия топлива составляет более 60%, а уровень вредных выбросов намного ниже самых строгих стандартов, включая калифорнийский. Грузовики находятся в опытной эксплуатации, а массовое производство энергоустановок нового типа ожидается в ближайшее время... На второй картинке: перспективный магистральный седельный тягач
2. Микротурбины по определению это компактные газотурбинные двигатели. Они неплохо прижились в энергетике в составе микротурбогенератов (далее - МТГ), которые применяются для автономного электроснабжения зданий и сооружений. Более того, в отличие от ДВС, практически все тепло, выделяющееся при сгорании топлива, сосредотачивается в выпускной системе, посему для самого двигателя система охлаждения не нужна, а энергетики научились его использовать в тех же системах горячего водоснабжения, посему теоретический КПД МТГ-установок достигает 80 процентов и более. На фото принципиальная схема автомобильной микротурбины с тепловой схемой
3. Микротурбогенератор выполнен в виде конструкции с одной движущейся деталью - вращающимся валом, на котором соосно расположены генератор, компрессор и непосредственно турбина. Вал вращается со скоростью до 100'000 оборотов в минуту при номинальной нагрузке и поддерживается воздушными подшипниками, которые не требуют жидкой смазки и периодического обслуживания. Кроме того. В одном небольшом по габаритам блоке размещены компрессор, камера сгорания, рекуператор, непосредственно турбина и постоянные магниты электрогенератора. Последний охлаждается набегающим потоком воздуха, что исключает необходимость в его системе охлаждения. В целом установка работает без вибраций и с низким уровнем шума даже без применения специальных экранов. Кстати, по последнему пункту. Расчетный уровень шума для МТГ - не более 60 дБ, для турбированного "большого" дизеля коммерческого грузовика - не менее 72-75 дБ. Для справки (к сожалению, "Википедия"): "60 дБ: умеренно шумно, обычный разговор, норма для контор"...
Для понимания (фото): так выглядит микротурбина от Wrightspeed мощностью 184 кВт и весом в 41 кг вместе с генератором. Вам напомнить, как выглядит (и сколько весит) дизельный двигатель стандарта Euro-6 мощностью в 250 л.с. вместе со сцеплением и коробкой передач?
Для понимания (фото): так выглядит микротурбина от Wrightspeed мощностью 184 кВт и весом в 41 кг вместе с генератором. Вам напомнить, как выглядит (и сколько весит) дизельный двигатель стандарта Euro-6 мощностью в 250 л.с. вместе со сцеплением и коробкой передач?
4. Особенности для практической эксплуатации
- Простота конструкции. Она понятна из описания, приведенного выше и, например, принципиальная схема микротурбины Capstone C30: 1. Входной воздушный патрубок; 2. Генератор с воздушным охлаждением; 3. Выходной патрубок для отработавших газов; 4. Рекуператор (теплообменник); 5. Инжектор; 6. Камера сгорания; 7. Корпус с теплозащитой; 8. Рабочее колесо турбины; 9. Лепестковый подшипник; 10. Колесо компрессора; 11. Вал. Это все...
- Высокая теоретическая надежность. В отличие от ДВС, где приходится преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала, здесь есть только вращение вала. Также в конструкции нет знакопеременных нагрузок, вибраций, сложной системы газообмена и ее привода (газораспределительного механизма). Посему ресурс микротурбин может достигать 80-90 тысяч часов или порядка 8-9 лет в режиме работы 24х365.
- Пониженные требования к системе смазки. В микротурбинах последних поколений, как правило, используются лепестковые газовые подшипники, в теории вообще не требующие наличия смазывающей жидкости: работает несущий газовый (воздушный) слой между неподвижным корпусом и вращающимся валом, причем - не требующий специального поддува (нагнетания воздуха в рабочую зону). Правда проблема в том, что до "всплытия" вала на воздушную подушку (в начальный момент времени) такой подшипник работает в режиме сухого трения. Это решается использованием антифрикционных материалов либо сменных антифрикционных прокладок. Но сохраняются проблемы с подшипниками, работающими в "горячей" зоне турбины (в том числе и у Capstone Turbine Corporation)...
- Топливо. Не уходя в тонкости (и на примере Capstone - раз уж начал упоминать), МТГ может работать на высокосернистом топливе с содержанием сероводорода (H2S) до 7%. А значит, подразумеваются: газовое - сжатый, сжиженный газ и биогаз; жидкое: бензин, дизель, керосин, этанол, метанол, бутанол, диметиловый эфир, биодизель - простите, если что-то забыл...
- Простота конструкции. Она понятна из описания, приведенного выше и, например, принципиальная схема микротурбины Capstone C30: 1. Входной воздушный патрубок; 2. Генератор с воздушным охлаждением; 3. Выходной патрубок для отработавших газов; 4. Рекуператор (теплообменник); 5. Инжектор; 6. Камера сгорания; 7. Корпус с теплозащитой; 8. Рабочее колесо турбины; 9. Лепестковый подшипник; 10. Колесо компрессора; 11. Вал. Это все...
- Высокая теоретическая надежность. В отличие от ДВС, где приходится преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала, здесь есть только вращение вала. Также в конструкции нет знакопеременных нагрузок, вибраций, сложной системы газообмена и ее привода (газораспределительного механизма). Посему ресурс микротурбин может достигать 80-90 тысяч часов или порядка 8-9 лет в режиме работы 24х365.
- Пониженные требования к системе смазки. В микротурбинах последних поколений, как правило, используются лепестковые газовые подшипники, в теории вообще не требующие наличия смазывающей жидкости: работает несущий газовый (воздушный) слой между неподвижным корпусом и вращающимся валом, причем - не требующий специального поддува (нагнетания воздуха в рабочую зону). Правда проблема в том, что до "всплытия" вала на воздушную подушку (в начальный момент времени) такой подшипник работает в режиме сухого трения. Это решается использованием антифрикционных материалов либо сменных антифрикционных прокладок. Но сохраняются проблемы с подшипниками, работающими в "горячей" зоне турбины (в том числе и у Capstone Turbine Corporation)...
- Топливо. Не уходя в тонкости (и на примере Capstone - раз уж начал упоминать), МТГ может работать на высокосернистом топливе с содержанием сероводорода (H2S) до 7%. А значит, подразумеваются: газовое - сжатый, сжиженный газ и биогаз; жидкое: бензин, дизель, керосин, этанол, метанол, бутанол, диметиловый эфир, биодизель - простите, если что-то забыл...
5. Уровень вредных выбросов. Для иллюстрации - таблица. Вместе с тем. Цифры по Capstone C30 получены на "открытом выхлопе": без использования любых технологий/систем нейтрализации отработавших газов
6. Не все так просто... Например, по отзывам специалистов-энергетиков, использующих МТГ, они нуждаются в достаточно регулярном ТО. Например, каждые 8000 ч должны меняться все фильтры, свеча, термопары, каждые 20 000 ч - форсунки... Вопрос о ресурсе аккумуляторных батарей остается открытым. Необходим осмотр либо специалистами производителя, либо его дилера 1 или 2 раза в год. Значит, вы навсегда будете привязаны к официальному сервису со всеми его расценками. Далее...
- Пыль. Считается, что расход воздуха у газовой турбины минимум в 2 раза выше, чем у дизеля такой же мощности. Однако МТГ устанавливаются на крышах зданий и сооружений, либо на земле, но специальных закрытых боксах. И их производители не лимитированы компоновочной схемой, посему система очистки воздуха может быть достаточно объемной. Чего не скажешь, например, о легковом автомобиле, который более того - движется по пыльным дорогам. Иными словами нам, как минимум, вдвое придется сократить интервал замены воздушного фильтра.
- Тепло. Температура отработавших газов после рекуператора (теплообменника) может достигать 300 °С. В энергетике оно используется в системах горячего водоснабжения либо в системах кондиционирования (абсорбционно-холодильные машины). Вероятно, можно допустить нечто похожее для городского автобуса, автомобиля с изотермическим кузовом (правда, холодильный агрегат должен быть нового, неведомого типа), но уже с трудом - для легкового автомобиля. Ибо тепла слишком много. Выбросить в атмосферу 200-250 градусов? А борцы с глобальным потеплением что скажут?
- Топливо. Микротурбины действительно многотовливные, но этого нельзя сказать о топливной системе автомобиля. И если на нем стоят баллоны для сжатого газа, то солярку в них не залить, как не заправить их сжиженным газом. Если говорить только о жидком топливе, турбине все равно, какой будет бензин - 80-й или 98-й. Но нефтяникам-то явно не все равно: они деньги вложили в модернизацию НПЗ, а производители МТГ им говорят: "Лучше бы вы их в карты проиграли, нам ваши супер-бензины больше не нужны"
- Расход топлива. Если честно настоящих данных нет, посему что имеем. На фото с сайта fotobus.msk.ru. гибридный автобус ТролЗА-5250 "ЭКОбус", опытная эксплуатация: ГУП "Мосгортранс" 24.12.2010-20.03.2011 г. Топливо - сжатый газ. Из выводов по опытной эксплуатации: "Расход газа автобусом «Тролза-5250» в зимнее время превышает расход автобуса ЛиАЗ-52937 (норма Евро-4) в среднем на 12-18 %". выхлопная труба газовой турбины на крыше и обратите внимание на предупреждающую надпись: "Соблюдать дистанцию 60 метров". Но здесь штрих: МТГ с турбиной Capstone С65 имеет электрическую мощность 65 кВт. Тяговый электродвигатель ТролЗА-5250 "ЭКОбус" - 120 кВт. Последовательная схема ГСУ подразумевает зарядку АКБ и от них питание привода ведущих колес. Недостаточная эффективность накопителей привела к тому, что в процессе подзарядки, МТГ пытался еще и обеспечить энергией тяговый двигатель. Что и привело к повышенному расходу топлива.
- Ресурс микротурбины. Все производители упоминают цифры от 60 до 100 тысяч часов в режиме номинальной мощности. Как второй показатель для расчета ресурса упоминается число запусков, но цифры более 5000 не встречал в любых источниках. Иными словами один запуск эквивалентен 12-20 часам работы микротурбины... Таким образом, если вы будете заводить двигатель 4 раза в день, то его придется (не ремонтировать), а менять через 3,5 года, а не через 8-9 лет. И это существенно...
- Пыль. Считается, что расход воздуха у газовой турбины минимум в 2 раза выше, чем у дизеля такой же мощности. Однако МТГ устанавливаются на крышах зданий и сооружений, либо на земле, но специальных закрытых боксах. И их производители не лимитированы компоновочной схемой, посему система очистки воздуха может быть достаточно объемной. Чего не скажешь, например, о легковом автомобиле, который более того - движется по пыльным дорогам. Иными словами нам, как минимум, вдвое придется сократить интервал замены воздушного фильтра.
- Тепло. Температура отработавших газов после рекуператора (теплообменника) может достигать 300 °С. В энергетике оно используется в системах горячего водоснабжения либо в системах кондиционирования (абсорбционно-холодильные машины). Вероятно, можно допустить нечто похожее для городского автобуса, автомобиля с изотермическим кузовом (правда, холодильный агрегат должен быть нового, неведомого типа), но уже с трудом - для легкового автомобиля. Ибо тепла слишком много. Выбросить в атмосферу 200-250 градусов? А борцы с глобальным потеплением что скажут?
- Топливо. Микротурбины действительно многотовливные, но этого нельзя сказать о топливной системе автомобиля. И если на нем стоят баллоны для сжатого газа, то солярку в них не залить, как не заправить их сжиженным газом. Если говорить только о жидком топливе, турбине все равно, какой будет бензин - 80-й или 98-й. Но нефтяникам-то явно не все равно: они деньги вложили в модернизацию НПЗ, а производители МТГ им говорят: "Лучше бы вы их в карты проиграли, нам ваши супер-бензины больше не нужны"
- Расход топлива. Если честно настоящих данных нет, посему что имеем. На фото с сайта fotobus.msk.ru. гибридный автобус ТролЗА-5250 "ЭКОбус", опытная эксплуатация: ГУП "Мосгортранс" 24.12.2010-20.03.2011 г. Топливо - сжатый газ. Из выводов по опытной эксплуатации: "Расход газа автобусом «Тролза-5250» в зимнее время превышает расход автобуса ЛиАЗ-52937 (норма Евро-4) в среднем на 12-18 %". выхлопная труба газовой турбины на крыше и обратите внимание на предупреждающую надпись: "Соблюдать дистанцию 60 метров". Но здесь штрих: МТГ с турбиной Capstone С65 имеет электрическую мощность 65 кВт. Тяговый электродвигатель ТролЗА-5250 "ЭКОбус" - 120 кВт. Последовательная схема ГСУ подразумевает зарядку АКБ и от них питание привода ведущих колес. Недостаточная эффективность накопителей привела к тому, что в процессе подзарядки, МТГ пытался еще и обеспечить энергией тяговый двигатель. Что и привело к повышенному расходу топлива.
- Ресурс микротурбины. Все производители упоминают цифры от 60 до 100 тысяч часов в режиме номинальной мощности. Как второй показатель для расчета ресурса упоминается число запусков, но цифры более 5000 не встречал в любых источниках. Иными словами один запуск эквивалентен 12-20 часам работы микротурбины... Таким образом, если вы будете заводить двигатель 4 раза в день, то его придется (не ремонтировать), а менять через 3,5 года, а не через 8-9 лет. И это существенно...
7. Немного экзотики... Концепт кар Jaguar C-X75 оснащен гибридной силовой установкой с двумя микротурбинами Bladon Jets мощностью по 70 кВт при 80'000 оборотов в минуту, причем каждая вместе с реактивным генератором весит по 35 кг. Топливо: бензин, дизель, биотопливо, возможен вариант с газовым. МТГ могут работать как последовательно, так и параллельно. Система смазки и охлаждения отсутствуют. Вес АКБ - 185 кг. Запас автономного хода (только на АКБ) с режимом рекуперации энергии до 50 км. Четыре мотор-колеса (колесная формула 4х4) весом по 50 кг позволяют обеспечить мощность на колесах до 780 л.с. при моменте в 1600 Н•м. Время разгона до скорости 100 миль/ч (160 км/ч) составляет 5,5 с, при максимальной в 320 км/ч (ограничена принудительно)
8. Если говорить о перспективах, а внедрение микротурбин затронет интересы многих производителей автокомпонентов и расходных материалов, позволю себе напомнить "баянистый" анекдот:
В Париже в патентное бюро обращается человек. Говорит, что изобрел мотор для автомобилей, который работает не на бензине, а на воде. Проверили - действительно работает. Стали оформлять изобретение, говорят ему:
- В принципе, можем вам два альтернативных варианта предложить - или оформить как одно изобретение, или как два - мотор на воде и вода как горючее. Вы же специалист по горючему?
- Да, я очень много лет работал с нефтью в Саудовской Аравии. Там, кстати, и сделал свое изобретение.
- А почему вы там свое изобретение не запатентовали?
- Я пытался. Но когда я описал им свое изобретение, они мне тоже предложили два альтернативных варианта.
- Каких?
- Побить камнями или закопать заживо...
Для понимания: электромобили ОНИ простили: с нынешним запасом хода и при ценах на них - они не конкуренты массовой продукции мирового автопрома. Но это совсем другая тема...
В Париже в патентное бюро обращается человек. Говорит, что изобрел мотор для автомобилей, который работает не на бензине, а на воде. Проверили - действительно работает. Стали оформлять изобретение, говорят ему:
- В принципе, можем вам два альтернативных варианта предложить - или оформить как одно изобретение, или как два - мотор на воде и вода как горючее. Вы же специалист по горючему?
- Да, я очень много лет работал с нефтью в Саудовской Аравии. Там, кстати, и сделал свое изобретение.
- А почему вы там свое изобретение не запатентовали?
- Я пытался. Но когда я описал им свое изобретение, они мне тоже предложили два альтернативных варианта.
- Каких?
- Побить камнями или закопать заживо...
Для понимания: электромобили ОНИ простили: с нынешним запасом хода и при ценах на них - они не конкуренты массовой продукции мирового автопрома. Но это совсем другая тема...
Метки: #Авто #двигатели #перспективы #техники
Поясните ка как они понизили расход на 60 процентов относительно дизеля той же мощности?
Турбина - самая прорва, самая топливоуничтожающая штука в мире, при этом нет простоев, холостых ходов.
А как эта штука поведет себя в пробке?
Мне кажется, что это катастрофических размеров выпускной коллектор и такой же фильтр очистки воздуха, а еще раздражающий вой, катастрофический расход топлива, низкий ресурс.
А если говорить о грузовике, где в коробасе есть делители? Разве у турбины не огромное давление и температура на валу?
Сама идея преобразования десятков тысяч оборотов в десяток оборотов - это же, мягко говоря, трудоемко.
Крч видел я эти штуки на танках, и ничего кроме расхода и высокой вибронагруженности не заметил:/
Там гибрид, с электротрансмиссией.
Турбина заряжает АКБ в экономичном режиме.
Как выбирали счастливых участников масштабного эксперимента — отдельный разговор. Так или иначе в октябре 1963 м-р Lynn A.Townsend, тогдашний президент Chrysler Corp., лично вручил ключи от новенького Chrysler Turbine первым пользователям – рядовой семье из чикагского пригорода. Процесс пошел. По программе, каждый из участников эксплуатировал машину в течение трех месяцев, а затем передавал ее очередному. Всего в эксперимент вовлекались две сотни автомобилистов. В Chrysler Corp. рассчитывали получить неоценимые сведения об эксплуатационных качествах «турбинной» легковушки – в условиях, приближенных к боевым. А также проверить реакцию потенциальных покупателей на непривычное транспортное средство – и оценить его рыночный потенциал.
Прогрессивная турбина вместо безнадежно устаревшего д.в.с. – вот ведущая идея крайслеровского dream car образца 1963. И в самом деле под капотом размещался газотурбинный двигатель (уже IV поколения) с вращающимися регенераторами тепла отработанных газов. Их температура на выхлопе падала до каких-то 245о C, — то есть, тепловая энергия утилизировалась довольно глубоко. Компактный агрегат весил 185+ кг и стыковался с 3-скоростным «автоматом» TorqueFlite (без гидротрансформатора, надобность в котором отпала в силу 2-вальной конструкции турбины).
Объявленная максимальная мощность агрегата (SAE «нетто») – 130 л.с. при 3600 оборотах выходного вала. То есть, сама-то вторичная (тяговая) турбина крутилась при максимальной мощности на 44600 мин-1, однако обороты понижались встроенным понижающим редуктором – до обычного в легковом автомобилестроении уровня («отсечка» на 4680 мин-1). Не сказать, что турбина отличалась выдающейся мощностью (тогда уже делали литражные «восьмерки» и на 400 сил – «брутто»). Зато крутящий момент она выдавала (на выходном валу) очень неслабый — за 575 Нм. Причем прямо от 0 оборотов, так что на разгонную динамику Chrysler Turbine никто не жаловался.
Мощная тяга транслировалась на неразрезный ведущий мост, подвешенный на продольных листовых рессорах. Передняя подвеска – на двойных поперечных рычагах, стандартная для американской легковушки тех лет ходовая. Узенькие (по нынешним понятиям) покрышки с диагональным кордом – и барабанные тормоза «по кругу». Рулевой механизм «винт-шариковая гайка» с гидроусилителем – все как у всех в начале 60-х. Так что Chrysler Turbine представлял собой пеструю мозаику передовых и традиционных (а где-то даже устаревших) технических решений, осторожное продвижение.
Как обычно для газовых турбин, крайслеровский агрегат оказался по-настоящему многотопливным: он успешно работал на неэтилированном бензине и авиационном керосине. И даже на растительном масле, хотя участникам эксперимента рекомендовали стандартное дизтопливо. Газотурбинный агрегат работал исключительно надежно и не доставлял добровольцам особенных хлопот.
Программа благополучно завершилась в начале 1965, после чего полсотни «турбинных» легковушек отправили на слом. В течении трех лет на этих автомобилях поездило около 200 человек, преимущественно проверенных клиентов фирмы, которые и вынесли неутешительный вердикт. Да, экзотичный мотор "Chrysler Turbine Car" превосходен по характеристикам. Он настолько тяговит и высокооборотен, что нет нужды в КПП — двигатель вращает ведущие колеса напрямую. Увы, но газовая турбина свистит как Соловей-разбойник, что невыносимо в дальних поездках. Второй недостаток — непомерный расход топлива, составлявший порядка 24 л /100 км. Чудовищный аппетит для относительно небольшой машины. В итоге программу газотурбинных автомобилей закрыли.
Когда нить решат и этот вопрос.Меняются возможности и материалы
У турбин есть пара "маленьких" недостатков: их цена слабо зависит от размера и запредельно велика в случае малых мощностей, и чем меньше размеры, тем выше должны быть обороты. Если двигатель авиалайнера имеет порядка 12-13 тыс оборотов в минуту, то турбина мощностью в 700 л/с уже примерно 36 тыс оборотов в минуту. Если бы с маломощными турбинами всё было бы настолько шоколадно, как описывается в статье, то они давно бы уже вытеснили ДВС на небольших самолетах. Однако этого не происходит.
Да, есть ещё один момент. Турбина может быть экономичной - за счет высоких параметров рабочего цикла (высокой температуры газов), но при этом низкоресурсной. Либо высокоресурсной - но малоэкономичной.
Вообще-то, например, JetCat P-60 (двигатель авиалайнера) развивает 165'000 оборотов в минуту или 2750 оборотов в секунду, хотя это самая быстрая турбина в мире. А в малой авиации, а значит, на неподготовленный площадках, есть еще проблемы пыли (о чем и шал речь). Посему ГТД там массово и не применяются... Собственно, это проблема и для Sukhoi Superjet 100 - слишком низко у него двигатели стоят. И это известно: почитайте форумы экспертов. Увы, в отличие от "Антонова", где они установлены над плоскостью... Цифры, упомянутые вами (12-13 тысяч), это ТВД, причем максимальные и после редуктора...
Кстати, цифры оборотов и расчетный ресурс для турбин на автомобилях указан. Или Вы считаете мало, если 24х365, минимум 3,5 года и под капот не заглядывать вообще?
Обороты ТВД (если речь именно об оборотах воздушного винта) довольно низкие, порядка 3 тыс и меньше. Выше они быть не могут - начинается околозвуковое обтекание законцовок лопастей винта, и его эффективность резко падает. А приведенные мной цифры от реальных двигателей. Обороты турбины Д-30 где то 13 тыс (всё привожу по памяти), cfm56 - около 19 тыс, сравнительно маломощный Walter M601 - уже 36 тыс. Приведенный вами JetCat P-60 только подтверждает эту тенденцию. (про пыль, самолеты и аэродромы - извините, но вы пишите ерунду в каждом предложении).
По ресурсам - есть у турбин ряд особенностей и в этой сфере. Например способность умереть мгновенно, разрушив всё вокруг себя. Большие ресурсы турбины выдают только работая на постоянной мощности. Не оборотах - быстро менять обороты они вообще не могут, а именно мощности. Для обеспечения динамики при маневрировании автомобиля, излишки мощности нужно куда то девать. Просто так, как у ДВС, у турбины газ не скинешь. Ну и повторюсь. Цена. Если у ВС есть всего несколько точных размеров, причем довольно простых, то у турбины точную геометрию должна иметь вся проточная часть. Со всеми лопатками, направляющим аппаратом и прочим. Забоина на поршне у ДВС ни к чему не приведет, её никто и не заметит. Забоина на лопатке, даже если она и не нарушит балансировку, может привести к срыву обтекания и помпажу со всеми вытекающими.
В общем, много с ними гемора. Потому их и не используют в мелочи.