В последние годы ведутся разработки по применению газотурбинного двигателя, как силовой установки автомобиля. Это связано не только со специфическими преимуществами газотурбинного двигателя, но в значительной степени с тем, что для развития автомобилей большой грузоподъемности и применения автопоездов необходимы двигатели большой мощности (более 750 кет, т. е. 1000 л. с). В газотурбинном двигателе можно осуществить рабочий процесс при более высоком по сравнению с дизелем числе оборотов, а следовательно, возможно получение значительной мощности при относительно небольших массе и габаритных размерах.

Принципиальная схема простейшего газотурбинного автомобильного двигателя. Он состоит из центробежного компрессора 12, камеры сгорания 3, компрессорной турбины 10 и тяговой турбины 9. Диск 4 турбины 10 и крыльчатка 1 компрессора 12 расположены на одном валу 11.

Диск 6 тяговой турбины 9 посажен на вал 7, который через редуктор 8 связан с трансмиссией автомобиля. По числу кинематически не связанных между собой валов 11 и 7 двигатель с такой схемой называется двухвальным.Внастоящеевремя он имеет преимущественное распространение в автомобильном газотурбостроении.

Основными агрегатами газотурбинного двигателя являются компрессор, турбины и камера сгорания. Кроме того, он имеет регулятор числа оборотов, масляный насос, стартер и другое вспомогательное оборудование. В автомобильных газотурбинных двигателях обычно применяется одноступенчатый центробежный компрессор, повышающий давление воздуха в 3,5—4 раза. Для достижения указанного давления необходимо, чтобы рабочее колесо компрессора вращалось с максимально допускаемой по условиям прочности окружной скоростью, которая при применяемых в автомобильных газотурбинных двигателях размерах крыльчатки составляет 420—450 м1сек.

Камера сгорания 3 изготовляется из жаростойкого листового материала и имеет трубчатую или кольцевую конструкцию.

В связи с тем, что жаропрочность материала дисков турбин ограничивает температуру газа (900—925° С) продукты сгорания топлива приходится разбавлять холодным воздухом, поступающим из компрессора. В результате этого, хотя сгорание Происходит при а = 1,0-;- 1,5, среднее значение коэффициента избытка воздухавгазотурбинныхдвигателяхзначительнобольше,чем в поршневых и достигает 4—6.

В автомобильных газотурбинных двигателях применяются центростремительные и осевые турбины. Компрессорная турбина является центростремительной, а тяговая — осевой. Независимо от типа турбина состоит из соплового аппарата 5 и рабочего колеса. Сопловой аппарат представляет собой систему неподвижных лопаток специального профиля, расположенных по окружности. Рядом стоящие лопатки ограничивают канал сопла. Протекая по зтим каналам, газы расширяются, вследствие чего их давление уменьшается, а скорость увеличивается до 600—750 м/сек.

В осевой турбине газ, протекая по каналам рабочего колеса, под воздействием профиля лопаток меняет направление движения. Оказывая давление на лопатки, газ создает силу, приводящую во вращение рабочее колесо.

В центростремительной турбине при движении газа по вращающемусяканалурабочегоколеса,расстояниекоторогоотоси вращения уменьшается, возникает кориолисова сила, являющаяся основной, приводящей во вращение колесо.

Наиболее высокий к. п. д. в турбине достигается тогда, когда окружная скорость вращения колеса составляет 0,5—0,6 от скорости газов на выходе из соплового аппарата. Следовательно, при указанных выше значениях скорости газа окружная скорость колеса турбины должна равняться 350—420 м1сек. Возникающие при этом центробежные силы вызывают значительные напряжения в диске и лопатках турбины. Так как диск и лопатки во время работы сильно нагреваются, то для противодействия зтим напряжениям материал, из которого они сделаны, должен отличаться особой жаропрочностью. Сплавы, применяемые для изготовления турбин, состоят из вольфрама, молибдена, никеля и т. п.

Газотурбинный двигатель,  работает следующим образом. Вал компрессора приводится в движение стартером. Пусковое число оборотов составляет 25—30% номинального. Компрессор начинает подавать сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую через форсунку 2 при помощи шестеренчатого насоса нагнетается топливо. Затем включается электрическая свеча накаливания и топливо поджигается.

Как только образуется устойчивая зона горения, последующие порции топлива воспламеняются непосредственно от соприкосновения с пламенем, и свеча выключается.

Продукты сгорания из камеры 3 поступают в компрессорную турбину 10, где они расширяются до давления, промежуточного между давлением за компрессором и давлением окружающей среды. Этого расширения достаточно для того, чтобы турбина могла вращать компрессор и связанные с валом вспомогательные механизмы.

Окончательное расширение продуктов сгорания происходит в тяговой турбине 9. Получаемая при этом механическая энергия расходуется на движение автомобиля.

Отработавшие газы через выпускную трубу удаляются в атмосферу.

Из описания схемы автомобильного газотурбинного двигателя следует, что в нем отсутствуют детали, имеющие возвратно-поступательное движение. Это позволяет значительно увеличить число оборотов вала двигателя данного типа по сравнению с поршневым (до 20—25 тыс. обIмин). В результате этого удается уменьшить массу и габаритные размеры двигателя. Удельная масса автомобильного газотурбинного двигателя рассмотренной схемы не превышает 0,35—0,5 кг1квт, или 0,5—0,7 кг/л. с.

В газотурбинном двигателе имеются только потери на трение в подшипниках вала, поэтому упрощается система смазки, и механический к. п. д. имеет высокие значения. Непрерывность процесса сгорания и относительная его продолжительность позволяет применять простую топливоподающую аппаратуру.

Газотурбинный двигатель обладает высокими пусковыми качествами. При стартере относительно малой мощности он пускается при любой температуре окружающего воздуха (до —50° С) и может принять нагрузку через 1—2 мин после пуска. Это свойство газотурбинного двигателя особенно важно при эксплуатации автомобиля в арктических условиях.

Газотурбинный двигатель полностью уравновешен, в связи с этим подмоторная рама для него может иметь значительно меньшую массу, чем рама для поршневого двигателя.

Кроме того, газотурбинный двигатель обладает особыми преимуществами при установке его на автомобиле. В зтом случае не нужно сцепление, так как раскручивание компрессорного вала при пуске производится при неподвижной тяговой турбине. По этой причине (разобщение двух валов) тяговая характеристика имеет весьма благоприятный характер. Крутящий момент при трогании автомобиля с места более чем в 2 раза превышает крутящий комент при номинальном режиме. Это обстоятельство позволяет сократить число ступеней в коробке передач и облегчает работу водителя, который значительно реже должен переключать передачи и управляет двигателем, воздействуя только на педаль подачи топлива.

Наряду с этим газотурбинный двигатель рассматриваемой схемы обладает рядом недостатков, которые в последнее время устраняются за счет усложнения конструкции. Недостатки эти следующие: 1) низкая экономичность на номинальном режиме по сравнению с поршневыми двигателями; 2) большой расход воздуха при данной мощности; 3) высокие требования к чистоте всасываемого воздуха; 4) резкое ухудшение экономичности при работе на частичной нагрузке; 5) невозможность торможения автомобиля двигателем.

Низкая экономичность на номинальном режиме определяется относительно небольшой степенью повышения давления в компрессоре. В результате этого температура отработавших газов оказывается высокой и с ними выбрасывается большое количество теплоты. Для ее частичной утилизации применяют теплообменники.

На рис. 142 показана схема двигателя с двумя дисковыми вращающимися теплообменниками. Отработавшие газы, прежде чем выйти в атмосферу, проходят через медленно поворачивающийся отсек теплообменника, наполненный теплоемкой набивкой в виде мотков проволоки, металлической ленты и т. п. Набивка нагревается и при повороте диска передает запасенную теплоту воздуху, идущему из компрессора в камеру сгорания. Таким образом, подаваемый компрессором воздух нагревается не только за счет сжигаемого топлива в камере сгорания, но и за счет теплоты отработавших газов. Это приводит к значительной экономии топлива. Удельный расход топлива в двигателе с теплообменником в 1,5 раза меньше, чем в двигателе без теплообменника. Экокомичность современных газотурбинных двигателей с теплообменником близка к экономичности дизелей.

Недостатком двигателя с теплообменником является сложность изготовления последнего, а также резкое увеличение массы и габаритных размеров двигателя из-за наличия теплообменника и воздухо — и газопроводов.

Через газотурбинный двигатель проходит приблизительно в 8 раз больше воздуха, чем через поршневой такой же мощности. Это объясняется большим коэффициентом избытка воздуха и более высоким удельным расходом топлива в двигателях без теплообменника. В результате этого сечения воздухо — и газопроводов увеличиваются. Камера сгорания, выпускная труба, воздухоочиститель, теплообменник и соответствующие газовые коммуникации значительно увеличивают габаритные размеры установки.

Чтобы уменьшить габаритные размеры газотурбинной установки, увеличивают допустимую температуру газа. В современных автомобильных газотурбинных двигателях она достигает 1200° С при наличии воздушного охлаждения лопаток сопловых аппаратов и лопаток рабочих колес. Усложнение технологии производства двигателя окупается вследствие значительного уменьшения его габаритных размеров, улучшения экономичности и более простого способа фильтрации воздуха. Степень чистоты воздуха, поступающего в газотурбинный двигатель, имеет весьма большое значение. Поскольку число оборотов рабочих колес компрессора и турбины весьма значительны, то попадание частиц пыли в проточную часть приводит к очень быстрому износу двигателя. Поэтому на входе в компрессор необходимо устанавливать воздухоочистители, которые полностью очищали бы воздух от пыли, не создавая чрезмерных гидравлических сопротивлений.

Хотя установка теплообменника и увеличение температуры цикла позволяют уменьшить удельный расход топлива на номинальном режиме, однако при работе на частичных нагрузках, характерных для эксплуатации автомобильного двигателя, удельный расход топлива резко увеличивается и становится неудовлетворительным. Это происходит по следующим причинам. При снижении нагрузки уменьшается подача топлива в камеру сгорания, и температура газа падает. Одновременно с этим автоматически понижается число оборотов компрессора и, следовательно, падает давление за ним. В результате этого термический к. п. д. цикла и экономичность двигателя уменьшаются.

Повышение термического к. и. д. и соответственно экономичности при уменьшении нагрузки у двухвального газотурбинного двигателя можно достичь следующими способами. Первый способ — устройство поворотных сопловых лопаток тяговой турбины. При снижении нагрузки и расхода топлива лопатки соплового аппарата прикрываются, расход воздуха через двигатель уменьшается, а температура цикла сохраняется неизменной. Это мероприятие, эффективное для двигателя с теплообменником, позволяет сохранять практически постоянным удельный расход топлива при снижении мощности до 50% номинальной.

Второй способ — установка обгонной муфты между тяговой и компрессорной турбиной. При переходе двигателя на работу с частичной нагрузкой турбины блокируются и двигатель начинает работать как одновальный. Это дает возможность при переходе на частичные режимы поддерживать неизменную температуру цикла и таким образом сохранить экономичность.

Применение этих способов позволяет использовать двигатель для торможения автомобиля. В первом случае для этого достаточно изменить угол наклона лопаток соплового аппарата так, чтобы рабочее колесо тяговой турбины стало вращаться в обратную сторону.

При втором способе торможение автомобиля двигателем осуществляется за счет использования энергии вращения колес автомобиля для сжатия воздуха в компрессоре.

Таким образом, усложнение первоначально очень простой схемы позволяет использовать газотурбинный двигатель в качестве весьма совершенного автомобильного силового агрегата. В настоящее время ведутся интенсивные работы по внедрению газотурбинных двигателей в качестве силовой установки для привода автомобилей большой грузоподъемности и автопоездов.