Какие двигатели не работают за счет энергии воздуха или газа

Обновлено: 16.05.2024

Газогенераторные двигатели: принцип работы, технические характеристики, топливо

Газогенераторные двигатели имеют один неоспоримый плюс - возобновляемое топливо, которое не проходит предварительной обработки. История использования машин с таким оборудованием достаточно длительная. Сейчас они не так популярны, как раньше, но понемногу все же возвращаются в строй.

Основные особенности

Газогенераторный двигатель имеет несколько неоспоримых положительных особенностей. Во-первых, топливо для устройства очень дешевое. Во-вторых, во время эксплуатации прибора появляется зола, которую можно использовать в качестве удобрения, к примеру. В-третьих, автомобилю не потребуется установка мощных химических аккумуляторов.

Газогенераторные двигатели доказали свое право на существование уже очень давно. На сегодняшний день их показатели, конечно же, сильно уступают новым моделям, работающим на бензине. Однако для большинства рядовых автолюбителей вполне могут подойти. Газогенераторная установка позволит развить скорость до 100 км/ч, приблизительный максимальный пробег составит около 100 км. Чтобы повысить этот параметр, придется возить на заднем сиденье дополнительные мешки с дровами и периодически вручную добавлять "топливо" в бак.

Как работает устройство

Принцип работы газогенератора - синтез газа. Это процесс, в ходе которого, горючий газ будет образовываться при сгорании органического материала. Для того чтобы запустить такой процесс, необходимо достичь нужной температуры. Синтез газа начинается при достижении показателя в 1400 градусов по Цельсию. В качестве топлива для газогенераторного двигателя могут использоваться торф, брикеты с углем и некоторые другие материалы. Однако, как показала практика, наиболее распространенным и удобным материалом в качестве топлива выступает древесина. Хотя здесь стоит отметить, что дрова обладают одним недостатком - уменьшение заряда рабочей смеси. Вследствие этого несколько понижается и мощность установки.

Можно добавить, что двигатель на дровах такого типа обычно используется с уже установленным ДВС.

Технические показатели

Если стоит выбор, к примеру, между покупкой автомобиля с традиционным двигателем или с газогенератором, то нужно подробно остановиться на рассмотрении технических данных второго варианта.

Масса двигателя на дровах достаточно большая, из-за чего теряется некоторая часть маневренности. Этот недостаток становится опасным, если развивать большую скорость. По этой причине доводить автомобиль даже до 100 км/ч не слишком разумное решение - придется ездить медленнее. Есть еще несколько важных технических данных такого оборудования.

Газовый двигатель, работающий на дровах, обладает большей степенью сжатия, чем грузовые бензиновые двигатели. Что касается мощности, то газогенератор, естественно, проигрывает бензиновому мотору.

Последнее отличие не в пользу газовой модели - это грузоподъемность, в которой он также проигрывает автомобилю с бензиновым двигателем.

Здесь еще важно отметить, что древесный газ характеризуется низкой энергетической ценностью, если сравнивать его с природным. Авто на дровах будет неизбежно терять в динамических свойствах, что также следует учитывать водителю такого транспортного средства.

Некоторые предпочитают установку объемного газогенератора осуществлять на прицеп, а не на сам автомобиль. В таком случае и быстро разогнаться не получится, и маневрировать особо не выйдет. Прицеп будет являться своеобразным ограничителем.

Плюсы газогенераторов

Если говорить о плюсах автомобилей с газогенераторными двигателями, то на первый план сразу же выдвигается возможность использования возобновляемого топлива без предварительной обработки. К примеру, чтобы преобразовать биомассу в пригодное топливо, допустим в этанол или биодизель, расходуется энергия, в том числе и энергия СО2. Причем в некоторых случаях для преобразования расходуется больше энергии, чем содержит изначальное вещество. Что же касается газогенераторного двигателя на дровах, то он не требует затрат энергии для производства своего топлива. Разве что нужно порезать и нарубить саму древесину для удобства загрузки.

Если сравнивать авто с генератором газа и электромобилем, то можно выделить такое преимущество: отсутствие необходимости в мощном химическом источнике энергии - аккумуляторе. Недостаток таких химических аккумуляторов в том, что у них есть свойство саморазрядки, а потому перед эксплуатацией такого авто его нужно не забывать заряжать. Если говорить об устройствах, генерирующих газ, то они сами по себе являются "натуральными" аккумуляторами.

При правильной сборке генератора газа и его работе в автомобиле, он будет значительно меньше засорять окружающую среду, чем любой бензиновый или дизельный двигатель. Конечно, если сравнивать с электромобилем, который вовсе не создает выбросов в атмосферу, газогенератор проигрывает. Однако для зарядки электрических авто требуется много энергии, а она все еще добывается традиционными способами, сильно загрязняющими воздух.

Минусы газогенераторов

Несмотря на определенные преимущества таких установок, их монтаж все еще остается очень индивидуальным решением и не самым оптимальным. Сама по себе установка, генерирующая газ, занимает много места, а весит она несколько сотен килограммов. При этом всю эту громоздкую конструкцию придется перевозить с собой. Большие габариты газовой установки обусловлены тем, что древесный газ характеризуется низким коэффициентом удельной энергии. Для примера можно сравнить удельную энергетическую ценность древесного газа, которая составляет 5,7 МДж/кг, с энергией, выделяющейся при сгорании бензина - 44 МДж/кг, или 56 МДж/кг - результатом сгорания природного газа.

Работа автомобиля на газогенераторе

При эксплуатации такого газового двигателя не получится достичь скорости и ускорения, возможных при использовании бензинового аналога. Проблема заключается в составе древесного газа. Он на 50 % состоит из азота, на 20 % из окиси углерода; оставшиеся 18 % - водород, 8 % - двуокись углерода, 4 % - метан. Азот, который занимает половину удельной массы газа, вовсе не способен поддерживать горение, а соединения на основе углерода снижают эффективность горения. Большое количества азота уменьшает общую мощность такого генератора примерно на 30-50 процентов. Углерод снижает скорость горения газа, из-за чего не удается достичь высоких оборотов. Как следствие этого, понижаются динамические показатели автомобиля.

Применение генератора газа

Следует отметить еще одну небольшую проблему газогенераторных автомобилей, которая связана конкретно с их применением. Она связана с тем, что установке необходимо выйти на рабочую температуру, и только потом можно ехать. Время, требуемое для выхода на такую температуру, примерно 10 минут. Кроме этого, перед следующей загрузкой дров необходимо каждый раз лопаткой вычищать золу. Еще одна проблема в обслуживании - образование смол. Сейчас она стоит уже не так остро, как раньше, но все равно приходится очищать фильтры от загрязнений. Все это приводит к необходимости частого обслуживания генератора.

Если говорить в общем об уходе за таким устройством, то можно сказать так: появляется много хлопот с обслуживанием, которые полностью отсутствуют у бензиновых двигателей.

Генераторная установка для ЗИС-21

Как уже говорилось, основной принцип работы генератора - превращение твердого топлива в газ, поступающего в цилиндры. Газогенераторный ЗИС-21 в основном работал на таком топливе, как дуб и береза. Иногда использовался бурый вид угля, так как он был наименее гигроскопичным и давал больше всего газа на выходе.

Что касается конструкции типового генератора газа для ЗИС-21, то состоял он из следующих элементов: непосредственно самого газогенератора, охладителя-очистителя, тонкого очистителя, смесителя и электрического вентилятора.

Работа установки на ЗИС

В верхней части генератора располагался бункер, в который загружалось твердое топливо. Непосредственно под самим бункером располагался топливник. Здесь осуществлялось сжигание древесины. По мере того как сгорало старое топливо, осуществлялась "автоматическая подача" новой древесины. На деле же она просто падала из бункера в топливник под собственным весом, когда освобождалось место. Сама газогенерирующая установка располагалась с левого борта автомобиля.

В этом же топливнике происходило и образование окиси углерода из-за протягивания воздуха сквозь горящее топливо. Просасывание кислорода происходило либо за счет разрежения в цилиндрах, либо за счет работы электрического вентилятора. Эти методы являлись принудительными, но были установки и с естественной тягой воздуха. Однако в таком случае на подготовку к запуску могло уйти до часа времени.

Под топливником располагался зольник, как в любой обычной печи. Здесь скапливались продукты сгорания. Каждые 80-100 км было необходимо очищать его от золы. Однако здесь справедливо будет отметить, что этот факт доставлял проблемы лишь водителю транспортного средства.

Путь газа в установке и очистка

Весь полученный в процессе сгорания дров газ поступал в рубашку, которая окружала бункер. Таким образом достигался подогрев этого отсека. Это было необходимо, чтобы предварительно просушить всю древесину, подготовленную для сжигания. Далее стоит отметить, что после выхода из генератора газ имел температуру примерно 110-140 градусов. Поэтому он должен был проходить через секции радиатора. Там он не только понижал свою температуру, но и попутно очищался от тяжелых химических примесей.

Что касается очистки, то она происходила таким образом. Секции очистителя-теплообменника представляли собой внутренние перфорированные трубы. Эта конструкция была схожа с нынешними выхлопными системами. Горячий газ сильно расширялся, из-за чего терял скорость течения. Проходя через лабиринты труб, он еще сильнее замедлялся. Примеси отсеивались от него и оставались на внутренних стенках наружных труб обменников тепла. После этого следовал тонкий очиститель.

Вывод

В конце можно подвести следующий итог. Характеристики газогенераторных двигателей достаточно слабые, если сравнивать их с бензиновыми. Установка имеет некоторые преимущества, однако она достаточно неудобна в эксплуатации, требует постоянного и тщательного ухода. Кроме того, она не позволяет развивать большую скорость и снижает маневренность. По этим причинам автомобили с такими газовыми генераторами не пользуются практически большой популярностью.

Атмосферный двигатель: что это такое, чем отличается от турбированного

При подробном рассмотрении технических характеристик двигателей внутреннего сгорания большинство автолюбителей сталкиваются с такими понятиями как инжекторный, карбюраторный мотор. Многие имеют достаточно высокие знания о конструкционных особенностях таких агрегатов, но когда речь затрагивается атмосферных двигателей, только лишь некоторые автолюбители понимают, о чём дальше пойдёт разговор. Чтобы развеять все сомнения, полезной будет эта статья.

Что такое атмосферный двигатель

Несмотря на то что это понятие в автомобилестроении сегодня встречается нечасто, на самом деле, оно является вполне простым для понимания. Как ни странно, но атмосферный двигатель относится к одним из наиболее древних и распространённых агрегатов, используемых в автомобилестроении на протяжении многих десятилетий.

Представляет он собой обычный двигатель внутреннего сгорания, однако в отличие от инжекторных либо карбюраторных, не имеет дополнительных автоматических узлов, обеспечивающих более эффективное сгорание топлива.

Это означает, что необходимая для воспламенения смесь бензина и атмосферного воздуха достигается благодаря естественным законам физики (атмосферному давлению). Поэтому агрегат и получил такое название.

Знаете ли вы? Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания был создан в 1807 году французским изобретателем Франсуа де Ривазом.

Сегодня данный агрегат под капотом автомобиля встретить можно нечасто, но всего несколько десятилетий назад его использовали повсеместно для производства легковых и грузовых автомобилей. При этом тип топлива для «атмосферника» не являлся ключевым признаком, так как было создано множество моделей, работающих как на дизельном топливе, так и на бензине. Несмотря на свою техническую застарелость, сегодня такой мотор вновь обретает популярность, поскольку преимущества над современными моделями с турбонадувом имеются значительные.

Узнайте, почему двигатель может работать с перебоями и какие причины этой неисправности.

Основной принцип любых двигателей внутреннего сгорания заключается в воспламенении топлива в специальных камерах, благодаря чему в действие приводятся поршни, а далее и последующие узлы автомобиля. В качестве воспламеняющейся жидкости зачастую выступает бензин разнообразных марок либо дизель, но под топливом также стоит понимать и смесь бензина либо дизеля с воздухом. Это является главным условием воспламенения в моторе, так как без достаточного количества кислорода этот процесс невозможен.

Наиболее оптимальным соотношением для успешного возгорания считается смесь 1:14 (воспламеняющаяся жидкость : воздух). Для решения этой проблемы в любом двигателе внутреннего сгорания предусмотрен специальный узел, отвечающий за смесь топлива и воздуха. В большинстве современных автомобилей за это дело «берутся» автоматические компрессоры подачи воздуха либо турбины (инжектор, карбюратор). Именно поэтому часто их и называют турбированными.

Но в «атмосферниках» всё проходит самотёком. Благодаря естественному атмосферному давлению воздух пытается заполнить любое свободное пространство, на основе чего и построен принцип атмосферного двигателя. Однако зачастую этого недостаточно для достижения воздушно-топливной смеси, поэтому в «атмосферниках» создана механическая система подачи воздуха. Поршни мотора выступают в качестве воздушного насоса, который затягивает необходимое количество воздуха в камеру сгорания. Для этого в атмосферных двигателях обустраивается специальный воздуховод, обеспечивающий бесперебойную подачу кислорода извне.

Знаете ли вы? Первые чертежи автомобиля принадлежат известному итальянскому художнику и учёному Леонардо да Винчи.

Таким образом, главное отличие турбированного двигателя от атмосферного заключается в автоматическом нагнетателе воздуха, которого в «атмосферниках» нет. Кроме того, не стоит забывать и о том, что в турбированных моторах воздушно-топливная смесь образуется принудительно (благодаря образованию повышенного давления от 1,5 до 3 атмосфер).

Достоинства и недостатки атмосферного двигателя

Двигатели на атмосферной тяге встречаются под капотом многих популярных марок автомобилей. Причин для этого сразу несколько:

Надёжность и неприхотливость. Прежде всего, это обусловлено простотой конструкцией двигателя, а также отсутствием в нём дополнительных элементов, требующих профилактического осмотра. Не стоит забывать, что «атмосферники» способны благополучно функционировать даже на топливе низкого качества (в большинстве постсоветских стран это главное условие отсутствия дорогостоящего ремонта).Высокая ремонтоспособность и дешевизна в обслуживании. Самый современный атмосферный мотор зачастую в несколько раз дешевле в ремонте, нежели турбированные аналоги. Это достигается благодаря простоте конструкции и использовании простых механических узлов. Даже при полном капремонте и замене ведущих деталей моторы этого типа практически всегда поддаются восстановлению.Огромный ресурс использования. Как показывает практика, в большинстве случаев даже при периодическом использовании некачественного топлива такие моторы не нуждаются в ремонте, пока не «пробежали» несколько сотен тысяч километров. Известны случаи, когда «атмосферникам» удавалось работать десятилетиями на протяжении 300-500 тысяч км пробега без какой-либо технической поддержки.

Как и любое другое техническое устройство, не лишён «атмосферник» и недостатков. Зачастую даже самый дорогой и качественный мотор проигрывает в эффективности и мощности агрегатам с автоматическим нагнетателем. На низких и высоких оборотах «атмосферникам» не удаётся с необходимым темпом поглощать воздух извне, поэтому смесь топлива и воздуха неравномерная . При высоких и низких оборотах такой мотор часто теряет мощность, а на низком ходу даже может заглохнуть в неподходящий момент.

Знаете ли вы? Турбина является одним из самых древних технических устройств, используемых человеком. Первый прототип турбины был создан ещё в 1 веке н.э. греческим учёным и конструктором Героном Александрийским.

Что лучше: атмосферный или турбированный двигатель

Вопрос о целесообразности установки турбированных или атмосферных моторов является нерешённым спором среди автомобилистов уже давно, так как оба имеют недостатки и плюсы.

Несомненно, турбированный использовать лучше при условиях работы на низких и высоких оборотах. Кроме того, их мощность зачастую на 10-30% выше, нежели у «атмосферников», что по душе большинству любителей высокоскоростных авто. Однако для этого агрегаты с искусственным нагнетателем требуют особого и тщательного ухода, а также подбора качественного топлива. В противном случае они служат недолго.

В свою очередь, «атмосферники» больше подходят для использования в условиях среднего режима и значительно экономичнее. Так что если для вас автомобиль только лишь средство передвижения от работы домой — это ваш выбор. Кроме того, такие моторы прослужат дольше и не потребуют тщательного и скрупулёзного ухода, что для большинства регионов бывшего СССР является решающим плюсом.

Видео: Атмосферный или турбированный двигатель. Что лучше?

Не стоит забывать и об их более простой конструкции, что тоже придётся по душе большинству любителей «самостоятельного ремонта».

Важно! Перед выбором той либо иной системы двигателя нужно обязательно определить для себя, для каких конечных целей будет использоваться автомобиль, а также что конкретно потребуется от мотора в процессе его эксплуатации.

Можно ли установить турбину на атмосферный двигатель

Увеличение мощности автомобиля — это один из ключевых вопросов, который встречается среди автомобилистов по всему миру. Именно поэтому многие задаются вопросом о том, можно ли установить турбину на атмосферный мотор своего авто.

По идее, такое усовершенствование должно способствовать повышению мощности машины, что, несомненно, отразится и на показателях на трассе.

Несмотря на существование разнообразных противоречивых мнений, благодаря упрощённой конструкции установить турбину на «атмосферник» можно даже в самой незаурядной автомастерской.

Такой приём даст возможность повысить эффективность сгорания топлива в камере мотора, что улучшит его производительность на 10-30%.Рекомендуем прочитать подробнее об устройстве и особенностях эксплуатации турбины дизельного двигателя.Однако для этого автомобиль потребует серьёзных модификаций. Установка одной турбины не даст никаких результатов, поэтому к трансформации двигателя нужно подходить комплексно. Так что, помимо турбины, на него следует установить:

выпускной коллектор и пайп — необходимы для отвода дополнительного объёма выхлопных газов;магистраль для подачи воздуха с системой охлаждения — комплекс металлических трубок с вмонтированным интеркуллером, которые проводят забор и подготовку воздуха (воздух в камеру сгорания должен поступать охлаждённым);форсунки — управляемые электромагнитные клапаны (они требуются для автоматического распыления топлива в камере сгорания);блоу офф — способствует устранению лишнего воздуха из системы турбонаддува.

Атмосферный двигатель является одним из наиболее популярных типов моторов, используемых в автомобилестроении.

Важно! Установка турбины на атмосферный двигатель приведёт к дополнительному расходу топлива. Это обязательно нужно учитывать при расчёте целесообразности его модификации.

Несмотря на свою простоту и неизменную на протяжении десятилетий конструкцию, он имеет веские преимуществами над системами с автоматической подачей воздуха. Прежде всего, это высокая экономичность, простота в эксплуатации и надёжность, благодаря которым двигатель может эффективно функционировать ещё очень долго.

Авиационные газотурбинные двигатели

Всем привет! В этой статье я хочу рассказать о том, как работают авиационные газотурбинные двигатели (ГТД). Я постараюсь сделать это наиболее простым и понятным языком.

Авиационные ГТД можно можно разделить на:

турбореактивные двигатели (ТРД)
двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)
Турбовинтовые двигатели (ТВД)
Турбовальные двигатели (ТВаД)

Начнём с турбореактивных двигателей.

Турбореактивные двигатели

Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.

Современная фотография Me-262, сделанная в 2016 году

Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.

Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве
В-К — процесс сжатия в компрессоре
К-Г — изобарический подвод тепла
Г-Т — процесс расширения газа в турбине
Г-С — процесс расширения газа в сопле
С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.

Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Двухконтурный турбореактивный двигатель

ТРДД, прежде всего, отличается от ТРД тем, что имеет два контура: внешний и внутренний. Внутренний контур содержит в себе то же самое, что и ТРД: компрессор (разделенный на КНД и КВД), камеру сгорания, турбину (разделенную на ТВД и ТНД) и сопло. Внешний контур представляет собой канал, с соплом в конце. В нем нет ни камеры сгорания, ни турбины. Перед обоими контурами (сразу после входного устройства двигателя) стоит ступень компрессора, работающая на оба контура.

Не очень понятная картина выходит, да? Давайте разберемся как оно работает.

Схематичная конструкция двухвального двухконтурного турбореактивного двигателя

Воздух, попадающий в двигатель, пройдя через первую ступень компрессора низкого давления, разбивается на два потока. Одна часть воздуха идет по внутреннему контуру, где происходят те же процессы, которые были описаны, когда мы разбирали ТРД. Вторая часть воздуха попадает во внешний контур, получив энергию от первой ступени КНД (та, которая работает на два контура). Во внешнем контуре энергия воздуха тратится только на преодоление гидравлических потерь (за счёт трения). В конце этот воздух попадает в сопло внешнего контура, создавая огромную тягу. Тяга, созданная внешним контуром, может составлять 80% тяги всего двигателя.

Одной из важнейших характеристик ТРДД является степень двухконтурности. Степень двухконтурности — это отношение расхода воздуха во внешнем контуре, к расходу воздуха во внутреннем контуре. Это число может быть как больше, так и меньше единицы. На современных двигателях это число переступает за значение в 12 единиц.
Двигатели, степень двухконтурности которых больше двух, принято называть турбовентиляторными, а первую ступень компрессора (ту, что работает на оба контура) вентилятором.

ТРДД самолета Boeing 757-200. На переднем плане видно входное устройство и вентилятор

На некоторых двигателях вентилятор приводится в движение отдельной турбиной, которая ставится ближе всего к соплу внутреннего контура. Тогда двигатель получается трехвальным. Например, по такой схеме выполнены двигатели Rolls Royce RB211 (устанавливались на L1011, B747, B757, B767), Д-18Т (Ан-124), Д-36 (Як-42)

Д-18Т в разрезе изнутри

Главное достоинство ТРДД заключается в возможности создания большой тяги и хорошей экономичности, по сравнению с ТРД.

На этом я хотел бы закончить про ТРДД и перейти к следующему виду двигателей — ТВД.

Турбовинтовые двигатели

Турбовинтовой двигатель, как и турбореактивный, относится к газотурбинным двигателям. И работает он почти как турбореактивный. Элементарный турбовинтовой двигатель состоит из уже знакомых нам элементов: компрессора, камеры сгорания, турбины и сопла. К ним добавляются редуктор и винт.

Принцип работы работы такой же, как у турбореактивного, с разницей в том, что практически вся энергия газа расходуется на турбине на вращение компрессора и на вращение винта через редуктор (здесь винт и редуктор находятся на одном валу с компрессором). Винт создаёт основную долю тяги. Оставшаяся, после турбины, часть энергии направляется в сопло, образуя реактивную тягу, но она мала, может составлять десятую часть от общей. Редуктор в этой схеме нужен для того, чтобы понизить обороты и передать момент, так как турбина может вращаться с очень высокой частотой, например, 10000 оборотов в минуту, а винту нужно только 1500. И винт достаточно тяжелый.

Схематичная конструкция ТВД

Но бывает и другая схема турбовинтовых двигателей: со свободной турбиной.
Её суть в том, что за обычной турбиной компрессора ставится отдельная турбина, которая механически не связана с турбиной компрессора. Такая турбина называется свободной. Связь между турбиной компрессора и свободной турбиной только газодинамическая. От свободной турбины идёт отдельный вал, на который устанавливаются редуктор с винтом. Все остальное работает так же, как и в первом случае. Большинство современных двигателей выполняют именно по такой схеме. Одним из плюсов такой схемы является возможность использования двигателя на земле, как вспомогательную силовую установку (ВСУ), не приводя винт в движение.

Схематичная конструкция ТВД со свободной турбиной

Хочу отметить, что не нужно смотреть на турбовинтовые двигатели как на малоэффективный пережиток прошлого. Я несколько раз слышал такие высказывания, но они неверны.
Турбовинтовой двигатель в некоторых случаях обладает наивысшим КПД, как правило, на самолетах с не очень большими скоростями (например, на 500 км/ч), притом, самолет может быть внушительных размеров. В таком случае, турбовинтовой двигатель может быть в разы выгоднее, рассмотренного ранее, турбореактивного двигателя.

На этом про турбовинтовые двигатели можно заканчивать. Мы потихоньку подошли к понятию турбовального двигателя.

Турбовальный двигатель

Должно быть, большинство читателей здесь вообще впервые слышат такое название. Такой тип двигателей устанавливается на вертолёты.

Турбовальный двигатель очень схож с турбовинтовым двигателем со свободной турбиной. Он также состоит из компрессора, камеры сгорания, турбины компрессора, далее идёт свободная турбина, связанная со всем предыдущем только газодинамически. А вот реактивную тягу такой двигатель не создаёт, реактивного сопла у него нет, только выхлоп. Свободная турбина имеет свой вал, который соединяется к главному редуктору вертолёта (несущего винта). Да, у всех известных мне вертолетов есть такой редуктор, и, как правило, он внушительных размеров. Дело в том, что обороты несущего винта вертолёта очень низкие. Если у самолета, как я писал выше, они могут достигать 1500 об/мин, то у вертолёта, например у Ми-8, всего 193 об/мин.
А обороты двигателя у вертолёта зачастую очень высокие (из-за небольших размеров), и понижать их приходится в сотню и более раз. Бывает такое, что редуктор стоит и на двигателе, и на самом вертолете, например, у Ми-2 и его двигателя ГТД-350.

Схематичная конструкция турбовального двигателя

Двигатель ТВ3-117 от вертолета Ми-8. Справа видны выхлопная труба и приводной вал

Итак, мы рассмотрели четыре типа газотурбинных двигателей. Надеюсь, мой текст был понятен и полезен для вас. Все вопросы и замечания можете писать в комментариях.

Как работает водородный двигатель и какие у него перспективы

С 2018 года в ЕС действует запрет на дизельные автомобили новейшего поколения в населенных пунктах [1]. Это стало поворотным моментом в развитии рынка электрокаров, а также — гибридных и водородных двигателей.

Великобритания еще в 2017-м высказывалась за полный запрет бензиновых авто к 2040 году. Тогда же, если верить исследованию Bloomberg New Energy Finance [2], на электрокары будет приходиться 35% от всех продаж автомобилей. Уже к 2030 году Jaguar и Land Rover планируют довести число электрокаров в своих линейках до 100% [3]. Часть из них тоже работает на водороде.

История развития рынка водородных двигателей

Первый двигатель, работающий на водороде, придумал в 1806 году французский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз [4]. Он получал водород при помощи электролиза воды.

Первый патент на водородный двигатель выдали в Великобритании в 1841 году [5]. В 1852 году в Германии построили двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который работал на воздушно-водородной смеси. Еще через 11 лет французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал гиппомобиль [6], первые версии которого работали на водороде.

В 1933 году норвежская нефтегазовая и металлургическая компания Norsk Hydro Power переоборудовала [7] один из своих небольших грузовиков для работы на водороде. Химический элемент выделялся за счет риформинга аммиака и поступал в ДВС.

В Ленинграде в период блокады на воздушно-водородной смеси работали около 600 аэростатов. Такое решение предложил военный техник Борис Шепелиц, чтобы решить проблему нехватки бензина. Он же переоборудовал 200 грузовиков ГАЗ-АА для работы на водороде.

Первый транспорт на водороде выпустила в 1959 году американская компания Allis-Chalmers Manufacturing Company — это был трактор [8].

Первым автомобилем на водородных топливных элементах стал Electrovan от General Motors 1966 года. Он был оборудован резервуарами для хранения водорода и мог проехать до 193 км на одном заряде. Однако это был единичный демонстрационный экземпляр, который передвигался только по территории завода.

В 1979-м появился первый автомобиль BMW с водородным двигателем. Толчком к его созданию послужили нефтяные кризисы 1970-х, и по их окончании об идее альтернативных двигателей забыли вплоть до 2000-х годов.

Первой серийной моделью автомобиля с водородным двигателем стала Toyota Mirai, выпущенная в 2014 году. Сегодня такие модели есть в линейках многих крупных автопроизводителей: Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford и других.

Как работает водородный двигатель?

На специальных заправках топливный бак заправляют сжатым водородом. Он поступает в топливный элемент, где есть мембрана, которая разделяет собой камеры с анодом и катодом. В первую поступает водород, а во вторую — кислород из воздухозаборника.

Каждый из электродов мембраны покрывают слоем катализатора (чаще всего — платиной), в результате чего водород начинает терять электроны — отрицательно заряженные частицы. В это время через мембрану к катоду проходят протоны — положительно заряженные частицы. Они соединяются с электронами и на выходе образуют водяной пар и электричество.

По сути, это — тот же электромобиль, только с другим аккумулятором. Емкость водородного аккумулятора в десять раз больше емкости литий-ионного. Баллон с 5 кг водорода заправляется около 3 минут, его хватает до 500 км.

Где применяют водородное топливо?

В автомобилях с водородными и гибридными двигателями. Такие уже выпускают Toyota, Honda, Hyundai, Audi, BMW, Ford, Nissan, Daimler;
В поездах. Первый такой был выпущен в Германии компанией Alstom и ходит по маршруту Букстехуде — Куксхафен;
В автобусах: например, в городских низкопольных автобусах марки MAN.
В самолетах. Первый беспилотник на водороде выпустила компания Boeing, внутри — водородный двигатель Ford;
На водном транспорте. Siemens выпускает подводные лодки на водороде, а в Исландии планируют перевести на водородное топливо все рыболовецкие суда;
Во вспомогательном транспорте. Водород используют в электрокарах для гольфа, складских погрузчиках, сервисных автомобилях логистических компаний и аэропортов;
В энергетике. Электростанции мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на водороде, могут обеспечивать теплом и энергией небольшие города и отдельные здания. Например, после аварии на Фукусиме в 2018 году Япония активнее начала переходить на водородную энергетику [9], планируя перевести на водород 1,4 млн электрогенераторов;
В смесях с обычным топливом. Например, с дизельным или газовым — чтобы удешевить производство.

Плюсы водородного двигателя

Экологичность при использовании. Водородный транспорт не выбрасывает в атмосферу диоксид углерода;
Высокий КПД. У двигателя внутреннего сгорания (ДВС) он составляет около 35%, а у водородного — от 45%. Водородный автомобиль сможет проехать на 1 кг водорода в 2,5-3 раза больше, чем на эквивалентном ему по энергоемкости и объему галлоне (3,8 л) бензина;
Бесшумная работа двигателя;
Более быстрая заправка — особенно в сравнении с электрокарами;
Сокращение зависимости от углеводородов. Водородным двигателям не нужна нефть, запасы которой не бесконечны и к тому же сосредоточены в нескольких странах. Это позволяет нефтяным государствам диктовать цены на рынке, что невыгодно для развитых экономик.

Минусы водородного двигателя

Высокая стоимость. Галлон бензина в США стоит около $3,1 [10], а эквивалентный ему 1 кг водорода — $8,6. Водородные батареи содержат платину — один из самых дорогих металлов в мире. Дополнительные меры безопасности также делают двигатель дорогим: в частности, специальные системы хранения и баки из углепластика, чтобы избежать взрыва.
Проблемы с инфраструктурой. Для заправки водородом нужны специальные станции, которые стоят дороже, чем обычные.
Не самое экологичное производство. До 95% сырья для водородного топлива получают из ископаемых [11]. Кроме того, при создании топлива используют паровой риформинг метана, для которого нужны углеводороды. Так что и здесь возникает зависимость от природных ресурсов.
Высокий риск. Для использования в двигателях водород сжимают в 850 раз [12], из-за чего давление газа достигает 700 атмосфер. В сочетании с высокой температурой это повышает риск самовоспламенения.

Водород обладает высокой летучестью, проникает даже в небольшие щели и легко воспламеняется. Если он заполнит собой весь капот и салон автомобиля, малейшая искра вызовет пожар или взрыв. Так, в июне 2019 года утечка водорода привела к взрыву на заправке в Норвегии. Сила ударной волны была сопоставима с землетрясением в радиусе 28 км. После этого случая водородные АЗС в Норвегии запретили

Водород для топлива можно получать разными способами. В зависимости от того, насколько они безвредны, итоговый продукт называют [13] «желтым» или «зеленым». Желтый водород — тот, для которого нужна атомная энергия. Зеленый — тот, для которого используют возобновляемые ресурсы. Именно на этот водород делают ставку международные организации.

Самый безвредный способ — электролиз, то есть, извлечение водорода из воды при помощи электрического тока. Пока что он не такой выгодный, как остальные (например, паровая конверсия метана и природного газа). Но проблему можно решить, если сделать цепочку замкнутой — пускать электричество, которое выделяется в водородных топливных элементах для получения нового водорода.

Водородный транспорт в России

В России в 2014 году появился свой производитель водородных топливных ячеек — AT Energy. Компания специализируется на аккумуляторных системах для дронов, в том числе военных. Именно ее топливные ячейки использовали для беспилотников, которые снимали Олимпиаду-2014 в Сочи.

В 2019 году Россия подписала Парижское соглашение по климату, которое подразумевает постепенный переход стран на экологичные виды топлива.

Чуть позже «Газпром» и «Росатом» подготовили совместную программу развития водородной технологии на десять лет.

Главный фактор, который может обеспечить России преимущество на рынке водорода — это богатые запасы пресной воды [14] за счет внутренних водоемов, тающих ледников Арктики и снегов Сибири. Вблизи последних уже есть добывающая инфраструктура от «Роснефти», «Газпрома» и «Новатэка».

В конце 2020 года власти Санкт-Петербурга анонсировали [15] запуск каршеринга на водородном топливе совместно с Hyundai. В случае успеха проект расширят и на другие крупные города России.

Перспективы технологии

Вокруг водородных двигателей немало противоречивых заявлений. Одни безоговорочно верят в их будущее — например, Арнольд Шварценеггер еще в 2004 году, будучи губернатором Калифорнии, обещал [16], что к 2010 году весь его штат будет покрыт «водородными шоссе». Но этого так и не произошло. В этом отчасти виноват глобальный экономический кризис: автопроизводителям пришлось выживать в тяжелейших финансовых условиях, а подобные технологии требуют больших и долгосрочных вложений.

Другие, напротив, критикуют технологию за ее очевидные недостатки. Так, основатель Tesla Илон Маск назвал водородные двигатели «ошеломляюще тупой технологией» [17], которая по эффективности заметно уступает электрическим аккумуляторам. Отчасти он прав: сегодня водородным автомобилям приходится конкурировать с электрокарами, гибридами, транспортом на сжатом воздухе и жидком азоте. И пока что до лидерства им очень далеко.

Но у водородного топлива есть существенное преимущество перед электрическими аккумуляторами — долговечность. Если аккумулятора в электрокаре хватает на три-пять лет, то водородной топливной ячейки — уже на восемь-десять лет. При этом водородные аккумуляторы лучше приспособлены для сурового климата: не теряют заряд на морозе, как это происходит с электрокарами.

Есть еще одна перспективная сфера применения водородного топлива — стационарное резервное питание: ячейки с водородом могут снабжать энергией сотовые вышки и другие небольшие сооружения. Их можно приспособить даже для энергоснабжения небольших автономных пунктов вроде полярных станций. В этом случае можно раз в год наполнять газгольдер, экономя на обслуживании и транспорте.

Основной упрек критиков — дороговизна водородного топлива и логистики. Однако Международное энергетическое агентство прогнозирует, что цена водорода к 2030 году упадет минимум на 30% [20]. Это сделает водородное топливо сопоставимым по цене с другими видами [21].

Если вспомнить, как развивался рынок электрокаров, то его росту способствовали три главных фактора:

Лобби со стороны развитых государств: в США [22], ЕС [23], Японии [24], России [25] и других странах приняты законы в поддержку экологичного транспорта.
Удешевление аккумуляторов: согласно исследованию Bloomberg New Energy Finance, за последние десять лет цены на литий-ионные аккумуляторы упали с $1200 до $137 за кВт·ч.
Развитие инфраструктуры: специальные электрозарядные станции и зарядки в крупных бизнес-центрах, на парковках ТЦ и аэропортов.

Водородные двигатели ждет примерно тот же сценарий. В Toyota видят главные перспективы [26] для водородных двигателей в компактных автомобилях, а также в среднем и премиум-классе. Пока что производство не вышло на тот уровень, чтобы бюджетные модели работали на водороде и оставались рентабельными. Современные водородные машины стоят вдвое дороже обычных [27] и на 20% больше, чем гибридные.

Согласно прогнозу Markets&Markets [28], к 2022 году объем мирового производства водорода вырастет со $115 до $154 млрд. Остается главный вопрос: как быть с инфраструктурой? Чтобы водородные двигатели стали массовыми, нужны сети заправок, трубопроводы для топлива, отлаженные логистические цепочки. Все это пока только зарождается. Но и тут есть позитивные сдвиги: например, канадская Ballard Power по заказу китайского Министерства транспорта запустила пилотный проект, в рамках которого водородное топливо можно будет заливать в обычные АЗС.

Что лучше: газовая турбина или ДВС?

В этой статье речь пойдет о плюсах, минусах и общем принципе работы газово-турбинного двигателя (ГТД), а также краткое сравнение с ДВС. Текст разбит на логические абзацы с подзаголовками и списками.

Из-за нестабильной экономической ситуации в мире приходится искать способы сэкономить. Владельцы и будущие покупатели автомобиля в первую очередь думают об экономичности своей машины. Большую популярность обрела установка газово-турбинного двигателя (ГТД).

Газовая установка (ГТД) – это тепловой двигатель, в котором энергия нагретого и сжатого газа преобразуется в механическую на валу турбины.
Га́зовая турби́на (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение) — лопаточная машина, в ступенях которой энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. (из Википедии)

Существует всего два типа газовых установок, которые действительно имеют преимущество перед ДВС:

• С несколькими валами

Чаще всего в таком моторе работает 2 турбины (одна приводит в движение компрессор, а другая – автомобиль), которые не соединены между собой, что увеличивает КПД. Компрессор накачивает воздух в камеру сгорания, создавая давление одновременно с тем, как форсунка подает горючее. Из-за сильного сжатия газ воспламеняется и с высокой скоростью вылетает на тяговую и компрессорную турбину.

• Со свободно-поршневой системой

Оппозитно размещенные поршни под давлением воздуха сжимают горючую смесь, в результате чего она воспламеняется и раздвигает их обратно, а после выходит через отводы, вращая при этом турбину. Из-за особенностей конструкции такой двигатель можно сделать только двухтактным.

ДВС на типы не делят, ведь принцип работы у всех один: поршень, возвращаясь в низ, создает разрежение и в цилиндр засасывает горючую смесь (во многих машинах это делает нагнетатель). Далее он снова движется к верхней мертвой точке, после чего в камере сгорания происходит воспламенение, и давление газов обратно движет поршень вниз, вращая коленчатый вал.

Горючая смесь может образовываться внутренне (в цилиндре) и внешне (в карбюраторе). Воспламенение происходит либо за счет сильного давления, либо провоцируется искрой.

Плюсы и минусы

В этом разделе приведены преимущества и недостатки газовой установки относительно ДВС!

Газовые двигатели обрели свою популярность благодаря ряду преимуществ:

В продвинутых промышленных установках КПД может достигать даже 90%, но в автомобилях в среднем – 65%.

Расход топлива несильно отличается, но цена на газ заметно ниже. Из-за того, что КПД выше, горючее расходуется эффективнее. В итоге общая экономия составляет около 60%!

Подвижных частей в ГТД почти в 2 раза меньше. Более лояльные требования к системе смазки. Все это значительно уменьшает шанс серьезной поломки.

Многие люди недолюбливают газовую установку из-за одного серьезного недостатка:

нужно ежегодно проводить ТО (это очень часто), потому что ГТД в отличие от ДВЗ может взорваться, а это летальный исход.

На ТО происходит замена мелких деталей: фильтров, прокладок и прочего.

Стоит ли устанавливать ГТД?

Все зависит от финансов покупателя. Если есть деньги на новую машину, то не стоит. Для города лучше купить гибрид или электромобиль, а для дальних поездок – машину со стандартным ДВС. Если на покупку нового автомобиля средств нет, все зависит от расхода уже имеющегося. К примеру, на современных иномарках менять двигатель, скорее всего, не стоит, а на стареньком ВАЗ 2109 ГТД сэкономит немало денег.

При должном внимании и отношении газовая установка сэкономит значительную сумму и прослужит не менее 20 лет!

Если Вы заметили ошибку, неточность или хотите дополнить материал, напишите об этом в комментариях, и мы исправим статью!

Читайте также: