Вотчина газотурбинных двигателей - авиация. Именно там они плучили широкое применение для раскрутки самолетных и вертолетных винтов. Использование этого типа установок на наземном траспорте весьма ограничено - это тепловозы, танки, магистральные автобусы.
Что же из себя представляют газотурбинные двигатели? Принцип их действия довольно прост. Попробуйте сильно подуть на вентилятор, и он начнется крутиться, ветер раскручивает ротор мельницы, передавая ему часть своей энергии. В ГТД (газотурбинный двигатель) аналогом ротора мельницы выступает силовая турбина . Но в отличии от мельниц она обтекается не просто вялым потоком воздуха, а струями раскаленных газов, скорость которых при набегании на лопатку составляет 1000 км/ч. В результате поток лупит по лопаткам турбины с такой силой, что на ее валу возникает приличный крутящий момент. С силовой турбины момент передается через редуктор на выходной вал двигателя, от которого приводятся в движение колеса автомобиля или винт вертолета.
Для того чтобы получить высокоскоростной поток газов с температурой около 1000 С необходимо сжечь определенное количество топлива. Этот процесс происходит в камере сгорания, куда топливо впрыскивается специальными форсунками. А с целью подачи достаточного для поддержания процесса сгорания количества воздуха используется компрессор , обычно осегого типа. Для привода компрессора, частота вращения которого может достигать 60000 оборотов минуту (1000 оборотов в секунду) обычно применяют другую турбину установленную в потоке раскаленных газов перед силовой турбиной. Получается своего рода турбокомпрессор, похожий на те что используется для наддува поршневых двигателей.
Не следует путать ГТД с турбореактивными, в которых тяга создается непосредственно струей раскаленных газов истекающих из сопла, а турбина используется только для привода компрессора и вспомогательных целей. Основным продуктом ГТД является крутящий момент, снимаемый с силовой турбины.
Часто для достижения лучшей эффективности ГТД создают с несколькими компрессорными и турбинными степенями. ГТД Pratt&Whitney использовавшийся на Lotus 56 в Формуде-1, имел две компрессорные ступени (первый компрессор - осевой, второй - центробежный) плюс одну турбину для привода компрессоров и одну силовую турбину.
ГТД имеют ряд серьезных преимуществ перед поршенвыми. Во-первых, их отличает высокое отношение мощности к массе двигателя. 800-сильный двигатель Формулы-1 весил около 100 кг. И это выдающийся показатель. Но для современных ГТД такой уровень мощности - обычное дело. Даже в 1968 году ГТД Pratt&Whitney развивавший мощность порядка 500 л.с. весил 118 кг, в то время как невероятно популяргый тогда в Ф-1 Ford DFV выдавая 425 л.с. весил 162 кг. При этом ГТД был далеко не в пиковой, предельно форсированной форме. В связи с регламентом он был был лишен нескольких компрессорных ступеней и имел урезанное сечение соплового аппарата турбины.
Другим неоспоримым достоинтвом ГТД является их длительный срок службы. В них по сути нечем изнашиваться поскольку отсутствуют трущиеся детали. Ответственные подвижные соединения - подшипники роторов - отягощены лишь весом самих роторов, да еще гироскопическими моментами. В результате нагрузки в них на порядок меньше зверских усилий съедающих подшипники, порши и цилиндры в обычных двигателях. Долговечность и экономичность были одним из стимулов использования ГТД в ка честве силового агрегата на Lotus 56. Ведь к примеру тот же Ford DFV требовал капитального ремонта после каждых 10 часов работы, тогда как ГТД Pratt&Whitney не нуждался в этой дорогостоящей процедуре в течении 1200 часов работы. Представьте себе потенциальную экономию от использования такого агрегата, несмотря даже на несколько большую изначальную стоимость, учитываю при этом что каждая переборка двигателя стоила порядка $10000.
ГТД отличались от своих поршневых соперников удивительной бесшумностью, за что STP-Praxton был прозван Тихим Сэмом. Негромкий, хотя очень характерный свист турбин не шел ни в какой сравнение с натужным ревом выхлопа классических моторов. Однако поклонники истинно гоночного звука врядли оценили это достоинство.
В отличии от поршевого ГТД не глохнет при перегрузке, поэтому Lotus 56 не имел сцепления. Чтобы удержать машину на месте, требовалось постоянно нажимать педаль тормоза. При отпущеном тормозе даже без нажатия на газ автомобиль разгонялся до 130 км/ч.
Но если бы все было так радужно, ГТД, наверное нашли бы свое место под солнцем и в автомобильеой техние вообще, и в автоспорте в часности. Есть у них и недостатки. Самый наверное серьезный - это высокая инерционность самого двигателя. Дело в том что ротор силовой турбины имеет максимальную частоту вращения в районе 35-40 тысяч оборотов в минуту. Поскольку в том же Lotus 56 силовая турбина была соединена непосредственно с колесами (без коробки передач) при разгоне автомобля ротор раскручивался напрямую требуя немалых затарат энергии и времени. Вращающийся с высокой частотой ротор при разгоне и торможении оказывал на динамику автомобиля влияние, эквивалентное 50-80 кг балласта (сухой вес Lotus 56 составлял 600 кг). Конечно и поршневой двигатель обладает определенной инертностью , но она на несколько порядков меньше и практически неощутима.
Более того с тормозной динамикой у Lotus 56 дела обстояли совсем худо. Поскольку мощность ГТД сильно зависела от количества воздуха, прокачиваемого через него компрессором, для эффективного использования двигателя необходимо было постоянно поддерживать высокую частоту вращения ротора компрессора. Поэтому, чтобы не дать компрессору "уснуть" пилот был вынужден нажимать на газ даже во время торможения перед поворотом! Это звучит нелепо, но на деле такая неестественная техника пилотирования позволяла получить от двигателя макчимальную мощность сразу после вызода из поворота. Однако тормоза в этом случае трудились, что называется за двоих. Им приходилось не только гасить скорость автомобиля и вращающейся силовой турбины, но и сопротивляться тяге могучего двигателя. Проблемы с тормозами особенно сильно одолевали Lotus 56 при его настройке под извилистые трассы Ф-1.
Неудивительно что 56-й обладал не слишком выдающейся динамикой разгона и торможения. Машина хорошо чувствовала себя при движении с постоянной скоростью, поэтому хорошо зарекомендовала себя , например, в скоростных американских сериях, но извилистые трассы и повороты - это не ее стихия.
Другой проблемой ГТД является их прожорливость. Lotus 56 имел топливный бак объемом 280 литров, почти в два раза бодьше чем у машин с поршневыми моторами, но даже этого количества топлива не хватало на полную дистанцию Гран-При. Опять же, большое количество топлива, не оказывая заметного влияния на максимальную скорость машины, являлось серьезной проблемой при прохождении поворотов.
(с)журнал Формула-1 |