Автомобильные газотурбинные двигатели

С 1955 года на Горьковском автомобильном заводе велись работы по созданию газотурбинного двигателя. Сначала при создании первых образцов экспериментальной серии «ГАЗ-99», считалось, что для применения авиационных газотурбинных двигателей надо создать регенератор тепла выхлопных газов – теплообменник, найти компоновочное решение всего двигателя и трансформировать накопленные знания по компрессорам, турбинам и камерам сгорания в область малых размерностей и мощностей автомобильных двигателей.

Использование опыта авиационного двигателестроения себя не оправдало. Тем не менее в 1956 году были изготовлены первые макетные образцы ГТД ГАЗ*99 мощностью 130 л.с. Двигатели испытывались по узлам и в сборе, но без теплообменника, ленточная матрица которого не выдерживала тепловых ударов. После проб и ошибок, преодолев целый ряд неудач, выяснилось, что это только первая веха на пути к автомобильному газотурбинному двигателю. Созданный образец двигателя обладал низкой топливной экономичностью. К тому же стало ясно, что все его элементы нуждаются в усовершенствовании.

В 1957 году разработчики сделали первую попытку создания автомобильного ГТД (АГТД) компактной конструкции, основные узлы которого располагались в едином литом чугунном корпусе. В конструкции этого двигателя впервые применена компоновка с двумя расположенными по бокам двигателя дисковыми вращающимися теплообменниками – специфического для АГТД узла со сложной системой уплотнений. Длительная работа над этим узлом привела к созданию вращающегося регенератора арманного типа. Дальнейшее повышение надежности и технологичности конструкции привело к созданию в 1962 году первого в нашей стране полностью работоспособного двигателя ГАЗ-99Б мощностью 175 л.с. Было изготовлено три образца, прошедших испытания на стенде, включая 100-часовые ресурсные. По результатам испытаний получен минимальный удельный расход топлива 320 г/л.с.ч. Один из образцов был установлен на макетном шасси, и были проведены первые дорожные испытания.

Дальнейшее развитие принципов, заложенных в разрабатываемую конструкцию АГТД и его элементов, нашло отражение в модели ГАЗ-99В мощностью 250 л.с., построенной в 1965 году. Двигатель прошел обширную программу стендовых испытаний, включая 300-часовые ресурсные. Применение в его конструкции внутренних корпусов из жаропрочного листового материала обеспечило надежную термоизоляцию наружного корпуса, благодаря чему он был выполнен из алюминиевого сплава. В результате вес двигателя составил 430 кг. В результате доводочных работ на стенде было получено расчетное значение мощности при удельном расходе топлива – 250 г/л.с.ч.

Для проведения дорожных испытаний на базе этого двигателя в 1966 году была разработана модификация ГАЗ-99Г. В отличие от предшествующей модели в ее конструкцию ввели систему блокировки валов турбокомпрессора и тяговой турбины. Эта система предотвращала возможность резкого возрастания оборотов тяговой турбины при разрыве потока мощности, например, при переключении передач и осуществляет режим торможения двигателем.

Было изготовлено два образца, прошедших испытания на шасси в объеме 1000 моточасов. Дорожные испытания проводились на переоборудованном под установку АГТД ГАЗ-99Г шасси повышенной проходимости полным весом 12 тонн, при этом была сохранена трансмиссия бронетранспортера, включая КПП и сцепление.

Созданная дорожная лаборатория обеспечила проведение испытания в объеме 20 000 км, включая испытательные пробеги по маршруту: Горький – Москва (Бронницы) – Горький; Горький – Ленинград (Горелово) – Горький, и по лесному бездорожью северных районов Горьковской области.

В 1969 году была разработана модель двигателя ГАЗ-99Д мощностью 350 л.с., подводящая итог работы над экспериментальной серией ГАЗ-99. В ее конструкции нашли отражение все наиболее характерные для серии особенности: 
- двухкорпусная система с наружным литым корпусом из алюминиевого сплава;
- дисковые карманные теплообменники, расположенные в боковых крышках корпуса;
- система блокировки валов и др.

Было изготовлено 8 образцов трех модификаций. В условиях стендовых испытаний получена мощность 380 л.с. и удельный расход топлива 204 – 210 г/л.с.ч. Двигатель выдержал 500-часовые ресурсные испытания. В 1973 году начались дорожные испытания следующей модификации автомобильного газотурбинного двигателя - ГАЗ-99 ДМ. Он был установлен на шассе седельного тягача магистрального автопоезда МАЗ-6423 общей массой 41 – 43 тонны. Первые образцы автомобилей испытывались с механической коробкой передач и многодисковым сцеплением, разработанным венгерским производителем «Аутокут». В дальнейшем для столь мощного двигателя была разработана отечественная трансмиссия на базе коробки передач Ярославского моторного завода.

В 1974 году дорожные испытания двигателя продолжились на полноприводном автомобиле высокой проходимости Кременчугского автозавода. Общий пробег автомобилей с ГТД превысил 100 тыс. км. Был подготовлен переход к опытной эксплуатации автомобилей с газотурбинными двигателями в реальных условиях автопредприятий.

В 1977 году был разработан и утвержден технический проект унифи цированного семейства АГТД ГАЗ, включающего две модели: 902.10 мощностью 380 л.с. и 903.10, развивающий 600 л.с. Двигатели должны были в 80-е годы конкурировать с существующими дизелями по расходу топлива стоимости производства, ресурсу, превосходя их по габаритно-весовым показателям. Газотурбинные моторы превосходили дизельные двигатели простотой обслуживания и низкой токсичностью выхлопа.

В отличие от прежних конструкций ГАЗ-99 модели нового семейства выполнены с одним, расположенным сверху, теплообменником. Это существенно улучшало компоновку и облегчало обслуживание двигателя на шасси автомобиля. Применение в конструкции регулируемого соплового аппарата (РСА) силовой турбины и гомогенной камеры сгорания обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики по экономичности частичных режимов, динамике, торможению и совместной работе с трансмиссией при низкой токсичности выхлопа.

Для нового семейства была разработана конструкция гибридной камеры сгорания. Сжигание топлива в гибридных камерах гомогенных смесей позволило снизить выброс токсичных компонентов и значительно повысить ресурс камеры. По токсичности выхлопа двигатели значительно превосходили перспективные европейские нормы.

Успехи в разработке основных узлов позволили увеличить степень повышения давления до 6 и температуру газов до 1030 с0. Оба эти мероприятия резко улучшили габаритно-весовые показатели и обеспечили пологое протекание нагрузочной характеристики при минимальном удельном расходе топлива не более 170 г/л.с.ч. Создание оригинальной конструкции дискового секционного вращающегося регенератора является одним из наиболее важных достижений данного этапа работ. Стальной паяный или чугунный литой каркас диска имел практически неограниченный ресурс работы.

Сетчатые теплопередающие элементы конической формы обеспечивали требуемый тепловой режим каркаса и графитовых башмаков уплотнения. Степень регенерации теплообменника достигала 83 - 85%. Технологичная и надежная конструкция этого узла с учетом возможности легкой смены теплопередающих элементов и поперечины уплотнения снимали какие-либо ограничения по ресурсу двигателя.

Газотурбинный двигатель (ГТД) - тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме.

В 1791 году английский изобретатель Дж. Барбер впервые предложил идею создания ГТД. Русский инженер П. Д. Кузьминский в 1892 году разработал проект, а в 1900-м построил ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении, предназначенный для небольшого катера. В нем была применена многоступенчатая газовая турбина. Испытания не были завершены из-за смерти Кузьминского.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ГТД

Принцип действия ГТД становится понятным из схем. Воздух из атмосферы засасывается компрессором, сжимается в нем и подается в камеру сгорания, куда одновременно с воздухом через форсунку подается топливо. В камере сгорания происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают в турбину компрессора, где часть их энергии преобразуется в механическую работу в колесе так называемой свободной или силовой турбины, связанной через редуктор непосредственно с трансмиссией автомобиля. В турбине компрессора и свободной турбине происходит расширение газа с уменьшением давления в диапазоне от давления в камере сгорания до атмосферного.