Fotki:

Samochodowe turbiny gazowe
Autor: Mgr inż. Jan Alboszta <>
Źródło: Młody Technik 10/1970 <http://www.mt.com.pl>

W bieżącym roku mija dokładnie 20 lat od pierwszego doświadczalnego
zastosowania turbiny spalinowej w samochodzie. Dzisiaj ma ona szansę
konkurencji, a nawet uzyskania zasadniczej przewagi nad silnikami
wysokoprężnymi w trakcji szynowej i w zastosowaniu do ciężkich pojazdów
samochodowych. Czy następnych dwadzieścia lat doprowadzi do powszechnego
zastosowania turbiny gazowej również w samochodzie osobowym? Czy można
wysnuć pewne prognozy na ten temat, opierając się na obecnych osiągnięciach
techniki i możliwościach współczesnej technologii?
Statystyki podają, że w roku 1967 jeździło po drogach świata około 200
milionów pojazdów samochodowych, a przewidywania sięgające roku 1975 mówią
już o liczbie 320 milionów. Poszukiwania prowadzone przez inżynierów,
dotyczące idealnego napędu dla takiej masy samochodów, są zatem i
zrozumiałe, i w pełni uzasadnione. Czy właśnie turbina spalinowa ma szansę,
aby stać się tym poszukiwanym napędem?
Poniższy artykuł jest próbą odpowiedzi na postawione pytania.
Co to jest turbina gazowa?
Powszechnie znany jest fakt, że pod wpływem działania przepływającego płynu
na zanurzony w nim profil, na tym ostatnim powstaje siła nośna. Dzieje się
tak np. w przypadku skrzydła lub śmigła samolotu czy w przypadku koła
łopatkowego zanurzonego w strumieniu wody. Zjawisko to zauważono już dość
dawno. Proste turbiny gazowe, w których czynnikiem napędowym była para
wodna, stosowano około 300 lat temu w Chinach. Niewiele zmieniło się w
ciągu następnych wieków i dopiero pierwsze dziesięciolecia dwudziestego
wieku przyniosły poważniejszy rozwój turbin gazowych, najpierw w postaci
turbin parowych, a później spalinowych.
Turbina gazowa, jak to widać z rys. l, wyróżnia się prostotą konstrukcji.
Na ułożyskowanym w korpusie wale znajduje się koło wirnika zaopatrzone na
swym zewnętrznym obwodzie w wieniec łopatkowy. Podobny wieniec złożony z
łopatek umieszczony jest tuż przed kołem wirnika w kadłubie turbiny. Ten
zespół łopatek ma za zadanie skierować strumień czynnika roboczego na
łopatki wirnika, te zaś pod wpływem powstałej siły zaczynają obracać cały
wirnik, a wraz z nim wał turbiny. Czynnik roboczy ulega rozprężeniu, a jego
temperatura spada. Moc odbieramy bezpośrednio z wału turbiny lub też przez
przekładnię redukcyjną zmniejszającą obroty do żądanego poziomu. Jeżeli do
turbiny dostarczymy odpowiednią ilość gazów spalinowych o odpowiednio
wysokiej temperaturze i ciśnieniu, to efekt będzie oczywiście ten sam —
wirnik turbiny zacznie obracać się i na wale otrzymamy moment obrotowy
potrzebny do napędu np. pojazdu drogowego.
Samochodowa turbina spalinowa pokazana jest schematycznie na rys. 2.
Paliwo, w postaci oleju napędowego, benzyny lub inne, dostarczane jest
tutaj do komory spalania, w której znajduje się już sprężone powietrze.
Dzięki sprężaniu powietrze ulega też podgrzaniu. Po spaleniu otrzymujemy w
komorze spalania duże ilości gazów spalinowym o wysokich parametrach, tj.
temperaturze i ciśnieniu. Spaliny przechodzą do łopatek kierowniczych i
dalej trafiają na wirnik turbiny, który pod wpływem powstających sił
obwodowych obraca wał turbiny. Częściowo ochłodzone i rozprężone gazy
spalinowe przechodzą następnie do obrotowych wymienników ciepła, gdzie
oddają lwią część pozostałego w nich jeszcze ciepła i przez układ wydechowy
uchodzą do atmosfery. Podgrzane kosztem spalin elementy obrotowego
wymienika ciepła omywane są teraz powietrzem, które odbiera od nich ciepło
i dostaje się do komory spalania podgrzane o wiele wyżej, niż to wynikałoby
z przebiegu procesu sprężania w turbosprężarce.
Turbina i inne źródła napędu Prawie wszystkie współczesne silniki służące
do napędu pojazdów mechanicznych pobierają energię w postaci paliwa
węglowodorowego i zamieniają ją na żądaną postać energii mechanicznej. Nie
jest to jedyny sposób otrzymywania energii potrzebnej do napędu pojazdów. W
stadium prób i doświadczeń znajdują się ogniwa paliwowe, które pozwalają na
bezpośrednią zamianę energii chemicznej paliwa na energię elektryczną.
Proces ten zachodzi z dużą sprawnością i jedynie wysokie koszty budowy
takich ogniw sprawiają, że są one na razie wykorzystywane tylko w statkach
kosmicznych.
Bezkonkurencyjne - pod względem wartości jest paliwo jądrowe. Współczesna
technika nie potrafiła jednak dotąd znaleźć właściwego sposobu
wykorzystania tego rodzaju energii w transporcie drogowym. Ciągle jeszcze
nie można uniknąć budowy ciężkiego i skomplikowanego wyposażenia
dodatkowego, co podnosi koszty budowy i uniemożliwia tym samym wprowadzenie
paliwa jądrowego do napędu pojazdów mechanicznych.
Turbina gazowa stanie się konkurencyjną w stosunku do dotychczasowych
-źródeł napędu wtedy, gdy koszt przewiezienia za jej pomocą jednostki
ładunku na określoną odległość będzie niższy od kosztu przewozu za pomocą
tradycyjnych źródeł napędu. Decydującą rolę odgrywa tutaj koszt
materiałowy, koszt robocizny, czyli wykonania silnika, oraz koszt
eksploatacji.
Materiały używane dotychczas do budowy turbin są, niestety, w stosunku do
materiałów służących do produkcji silników tłokowych bardzo drogie ze
względu na wymagania wytrzymałościowe stawiane częściom pracującym w
wysokich temperaturach w sposób ciągły. Również koszty wykonania turbiny są
na razie dużo wyższe od odpowiednich kosztów wykonania tradycyjnego silnika
spalinowego. Głównym powodem tego stanu rzeczy są bardzo wąskie tolerancje
wykonawcze, wywołane koniecznością dokładnego dopasowania poszczególnych
elementów turbiny do siebie, jeżeli chcemy uzyskać możliwie wysoką
sprawność całego urządzenia, jego trwałość i niezawodność działania. Na
koszty eksploatacji składają się przede wszystkim koszty paliwa,
konserwacji i remontów. Pomimo że zużycie paliwa w niektórych najnowszych
turbinach zbliżone jest już do zużycia paliwa w odpowiednich silnikach
wysokoprężnych, to jednak ciągle jeszcze pozostaje ono wyższe. Rekompensują
to w pewnym stopniu niższe koszty obsługi i konserwacji oraz dłuższe
przebiegi międzynaprawcze. Tym niemniej na tym polu jest jeszcze wiele do
zrobienia.
We wszystkich źródłach napędu staramy się uzyskać możliwie pełną zamianę
energii dostarczonej do silnika w postaci paliwa na energię oddawaną przez
silnik, służącą do napędu pojazdu. Wielkością pozwalającą na ilościowe
ujęcie tego zagadnienia jest współczynnik sprawności ogólnej. Jest to
stosunek energii otrzymanej na wyjściu z silnika do energii do silnika
doprowadzonej. Porównanie tych współczynników prowadzi do wniosku, że
turbina gazowa nie odbiega pod tym względem od najnowszych konstrukcji
silników wysokoprężnych. W niektórych przypadkach turbin ze specjalnymi
wymiennikami ciepła wartości współczynnika sprawności są takie same, jak w
przypadku silników z zapłonem samoczynnym.
Współczynnik sprawności jest bardzo ważnym, ale nie jedynym parametrem
decydującym o przydatności silnika do napędu pojazdu. Nie mniej ważnym
czynnikiem jest jego ciężar i zajmowana przestrzeń. I tutaj widać już
wyraźnie przewagę turbiny spalinowej nad tradycyjnym silnikiem spalinowym.
Jeżeli bowiem l KM mocy w silniku gaźnikowym uzyskiwany jest z 1,20 do 1,70
kg masy silnika, a w silniku wysokoprężnym nawet z 3,50 do 4,00 kilograma
masy, to w turbinie gazowej z tak ciężkim elementem, jak wymiennik ciepła,
l KM mocy otrzymywany jest z 0,75 do 1,00 kilograma masy. Jeżeli zatem
użyjemy zamiast tradycyjnego silnika — turbiny, to przy tej samej mocy
napędowej zajmiemy mniej cennej przestrzeni w pojeździe.
Turbina spalinowa, a przynajmniej jej odmiana bez wymiennika ciepła, nie
jest zatem na razie atrakcyjnym źródłem napędu samochodów osobowych z
powodu dużego jeszcze zużycia paliwa i wysokich kosztów produkcji. Poprawa
współczynnika sprawności turbiny gazowej dzięki zastosowaniu wymiennika
ciepła również nie czyni jej jeszcze w samochodzie osobowym konkurentką
silnika tłokowego.
Inaczej wygląda sprawa zastosowania turbiny spalinowej w samochodach
ciężarowych i autobusach. Tu zysk przestrzeni użytkowej w stosunku do
przestrzeni zajmowanej przez źródło napędu jest poważnym czynnikiem
ekonomicznym, przemawiającym za stosowaniem turbin. Oczywiście, szerokie
ich wprowadzenie wymaga od zakładów produkcyjnych rozwiązania takich
problemów technolo-gicznych, jak otrzymywanie wysokiej jakości materiałów
konstrukcyjnych odpornych na działanie wysokich temperatur i opracowanie
organizacji produkcji pozwalającej na obniżenie dotychczasowych kosztów
wytwarzania turbin.
Natomiast dalsze wysiłki konstruktorów w przystosowaniu turbin gazowych do
napędu pojazdów mechanicznych powinny być skierowane w stronę zmniejszenia
zużycia paliwa, czyli podwyższenia współczynnika sprawności ogólnej. Drogę
do tego celu wyznaczają podstawowe prawa termodynamiki — nauki zajmującej
się ciepłem i teorią maszyn cieplnych.
Rozstrzygające znaczenie dla polepszenia sprawności turbiny ma podwyższenie
temperatury czynnika na wlocie do wirnika. Im wyższa jest temperatura
czynnika roboczego na wlocie, tym mniejsze mogą być wymiary turbiny, a
zatem jej ciężar przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia paliwa. Bezpośredni
wpływ na zużycie paliwa w turbinie ma międzystopniowe chłodzenie sprężonego
powietrza, między-stopniowe dopalanie paliwa w turbinie, zastosowanie
wymienników ciepła. To ostatnie urządzenie wpływa jednak wyraźnie na
podwyższenie kosztów wytwarzania turbiny. Póki technologowie nie znajdą
materiałów bardziej odpornych na działanie wysokich temperatur, jedyną
drogą umożliwiającą podwyższenie temperatury gazu na wlocie do wirnika jest
chłodzenie łopatek turbiny.
Co już osiągnięto
Rozwiązania konstrukcyjne poszczególnych jednostek mogą znacznie różnić się
między sobą. Mimo to da się wyodrębnić pewne elementy wspólne dla
wszystkich konstrukcji turbin spalinowych przeznaczonych do napędu
samochodów. Każda turbina samochodowa musi być mianowicie zaopatrzona w
wymiennik ciepła. Obecnie stosuje się różne typy wymienników, ale
najbardziej nadającym się do tego celu wydaje się być wymiennik
regeneracyjny. Duży postęp w tej dziedzinie zanotowano zwłaszcza od chwili
wynalezienia porowatych materiałów ceramicznych. Materiały te wytrzymują
temperatury pracy ciągłej rzędu 1100"C, a ich ciężar właściwy wynosi tylko
1,9 G/cm3. Odznaczają się one przy tym małym współczynnikiem
rozszerzalności termicznej i niskimi naprężeniami wewnętrznymi wywołanymi
gwałtownymi zmianami temperatury. Innym wspólnym elementem wyposażenia
turbin samochodowych jest komora spalania. Jej konstrukcja ma bezpośredni
wpływ na jakość spalania.
Ze względów rozruchowych dominującą rolę grają turbiny dwuwałowe. Mamy tu
generator gazu i mechanicznie oddzielony od niego wał turbiny roboczej.
Budowa układów trójwałowych wydaje się celowa w zastosowaniu do turbin o
mocy powyżej 500 KM.
Duże przyspieszenia turbin uzyskuje się kilkoma sposobami. Jednym z nich
jest zmiana kąta pochylenia łopatek kierowniczych sprężarki. Umożliwia to
nagle podwyższenie temperatury gazów dolotowych do turbiny, a przez to
nagłe zwiększenie spadku ciśnienia na wirniku turbiny, co warunkuje
uzyskanie żądanego przyspieszenia biegu turbiny. Drugim sposobem jest
zmiana pochylenia łopatek kierowniczych turbiny napędowej.
A oto kilka przykładów turbin samochodowych stosowanych już w
doświadczalnych pojazdach. Przedstawiony na rys. 3 amerykański pociąg
drogowy zosta! zaopatrzony w turbinę spalinową FORD-705, której schemat
konstrukcyjny widoczny jest na rys. 4. Turbina ta ma moc przekraczającą 550
KM. Jej sposób działania jest następujący:
Sprężarka niskociśnieniowa zasysa powietrze poprzez filtr, który jest
jednocześnie dyfuzorem. Zassane powietrze podlega sprężeniu do około 4
atmosfer i uzyskuje przy tym temperaturę 130°C. Po sprężeniu powietrze
kierowane jest do chłodnicy, gdzie podlega oziębieniu do temperatury około
100 C. Dalsze sprężanie następuje w sprężarce wysokociśnieniowej. Całkowity
spręż wynosi 16:1, a temperatura powietrza po sprężeniu 330°C. Przechodząc
dalej przez wymiennik ciepła, sprężone powietrze uzyskuje temperaturę około
520°C. Tak przygotowane, kierowane jest ono do przyległej komory spalania,
gdzie miesza się z paliwem. Paliwo ulega zapłonowi, a temperatura
powstających gazów spalinowych wynosi 925—950°C. Wysokoprężna część turbiny
umieszczona jest na tym samym wale, co i sprężarka wysokociśnieniowa. Po
przejściu przez pierwszy stopień turbiny, gazy spalinowe mają temperaturę
725°C. Ponieważ nadmiar powietrza jest tu wystarczająco wysoki, gazy te
kierowane są do następnej komory spalania, gdzie po spaleniu dodatkowej
dawki paliwa uzyskują przed wlotem na niskoprężną część turbiny temperaturę
około 925'C. Część niskoprężną składa się z dwóch stopni, z których drugi
napędza sprężarkę niskociśnieniową. Po wyjściu z ostatniego stopnia turbiny
gazy spalinowe przechodzą przez rotacyjny wymiennik ciepła, gdzie oddając
ciepło ochładzają się do temperatury około 350°C. Ostateczny wydech
następuje przez izolowaną cieplnie rurę, której wylot znajduje się na
górnej krawędzi tylnej ściany pomieszczenia kierowcy. Wydatek powietrza w
omawianej turbinie wynosi 2 kg/s, a moc turbiny osiąga 600 KM, z czego po
odliczeniu strat otrzymujemy 560 KM na sprzęgle przy 380 obr/min.
Mały stosunkowo wydatek powietrza w dzisiejszych turbinach spalinowych
upraszcza wydatnie problem filtracji powietrza i wydechu gazów spalinowych,
a przez to także problemy akustycznego wyciszenia silnika.
Dalszym krokiem naprzód w budowie turbin spalinowych jest konstrukcja
turbiny FORD-707 o mocy 375 KM. Turbina ta wyposażona została w
regeneracyjny wymiennik ciepła z materiału ceramicznego i sterowany
mechanicznie zespół łopatek kierowniczych turbiny napędowej. Widok
zewnętrzny turbiny przedstawia rys. 5.
Jednostkowe zużycie paliwa przez tę turbinę porównywalne jest już z
zużyciem jednostkowym analogicznego silnika wysokoprężnego.
Badaniami mającymi na celu zastosowanie turbin spalinowych w transporcie
drogowym zajął się także amerykański koncern General Motors, Rezultatem
jego prac nad tym zagadnieniem była konstrukcja turbiny GT-309. Jej widok i
niektóre szczegóły rozwiązania konstrukcyjnego przedstawia rys. 6.
Na uwagę zasługuje w tym modelu zabudowa obu wymienników ciepła w jednym
korpusie wraz z całą dwuwałową konstrukcją turbiny. Pojedyncza komora
spalania umieszczona została w środkowej części bębna wymiennika ciepła, co
przyczyniło się do wyraźnego obniżenia poziomu strat cieplnych. Wymiary
zewnętrzne turbiny zbliżone są do wymiarów analogicznego silnika
wysokoprężnego.
Pierwszą firmą, która zastosowała turbinę spalinową do napędu samochodu
dwadzieścia lat temu, była firma ROVER Co. Ltd. Ostatnią konstrukcją tej
wytwórni jest turbina gazowa 2S/150R. Osiąga ona moc 150 KM przy wydatku
powietrza 0,8 kg/s i sprężu 4:1. Prędkość obrotowa generatora gazu wynosi
65 000 obr/min. Obroty turbiny roboczej wynoszą 39 000 obr/min. Średnie
zużycie paliwa na trasie 1080 km wyniosło 19,8 1/100 km.
W ostatnim czasie mnoży się szybko liczba konstrukcji turbin spalinowych i
niepodobna omówić tutaj wszystkich. Już jednak ten krótki przegląd
konstrukcji daje wyobrażenie o rozmachu prowadzonych badań.