luni, 19 iunie 2017

Turbina cu gaze (I)


Turbina cu gaze este un tip de motor termic ce functioneaza pe principiul ciclului Brayton (Joule la francezi)
- termenul de turbina cu gaze (gas turbine) a fost folosit de englezi, pentru a face diferenta fata de turbinele cu vapori , fluidul de lucru fiind aerul in locul aburului.
- turbinele cu gaze produc energie mecanica prin antrenarea unui arbore cuplat la o elice sau la un echipament industrial si energie cinetica , prin destinderea gazelor arse.
Turbina pe gaze

                                         


Turbinele cu gaze pot fi clasificate in functie de tipul de energie utila : 
 - turbine ce folosesc energia cinetica a gazelor pentru realizarea tractiunii avioanelor :
           - turboreactoare
           - turboventilatoare 
- turbine ce folosesc energia mecanica produsa pentru antrenarea elicei si energia cinetica a gazelor :
           - turbopropulsoare
           - turboshaft, ce folosesc energia mecanica produsa pentru antrenarea unei elice sau agregat industrial sau pentru propulsie
In limba romana, termenii legati de aceste motoare, au fost preluati din limba franceza, iar notiunea de turboshaft nu a fost tradusa sau preluata din engleza. Din aceste motive se folosesc termeni gen turbina pe gaze de elicopter, de nava , industriala, etc.
Turboshaftul este o turbina cu gaze, care produce doar energie mecanica pentru antrenarea unui arbore (shaft). energia cinetica a gazelor fiind disipata in evacuare fara a genera tractiune.

Principalele aplicatii ale motoarelor turboshaft sunt :
- propulsie elicoptere, tancuri, nave, trenuri, barci
- motoare auxiliare APU pentru avioane si tancuri
- instalatii industriale pentru generare electricitate
- instalatii industriale pentru comprimare gaze 
- turbocompresoare supraalimentare motoare cu piston

Prima turbina cu gaze a fost brevetata in 1791 de englezul John Barber , iar prima turbina functionala a fost realizata in 1903 de norvegianul Aedgius Elling, generand o putere de 11 CP.

Turbina Aedgius Elling 2003


In continuare sunt prezentate turbine cu gaze (turboshaft) pentru  tancuri si elicoptere
Pentru a nu a forta un neologism (turboshaft), voi folosi mai departe termenul de turbina cu gaze.

Turbine cu gaze pentru tancuri 

Turbina cu gaze folosita pentru propulsarea tancurilor, este in concurenta directa cu motorul diesel, avand ca orice solutie inginereasca avantaje si dezavantaje .

GT 101 
Prima aplicatie a acestui tip de motor a fost facuta tot de nemti in timpul WWII, prin modificarea motorului cu reactie BMW 003 , fiind realizat initial motorul GT 101 , destinat  tancurilor Panther.
Sa nu uitam ca din BMW 003  au mai derivat dupa razboi motorul turbojet  rusesc RD 20  pentru MIG 9, iar francezii au dezvoltat motorul ATAR pentru Super Etandard, Mirage III si F 3.
Motorul GT 101 a fost proiectat in noiembrie 1944, fiind urmat pana in aprilie 1945 de GT 102 si GT 103. Motorul cantarea 1450 kg si dezvolta 1140 CP, asigurand pentru tancul Panther un raport putere/masa de 27 CP/t, fata de 592 CP si respectiv 13.5 CP/t cu motorul V12 pe benzina Maybach HL230 P30 . (T 34 avea 16.2 CP/t).
Principalele probleme erau legate de consumul mare (430g/CP/h - dublu fata de M1 Abrams)
Motorul avea o turatie de 14 500 rot/min si temperatura de intrare in turbina de 800 C.
Sistemul de transmisie era realizat de o cutie automata cu 12 viteze (!) ZF construita de
Nu a fost realizat nici un prototip de tanc , studiile limitandu-se la experimente pe echipamente individuale.
Proiectele germane au fost preluate si continuate de englezi, care au construit tancul Conqueror cu turbina pe gaze in 1954, abandonat datorita consumului si de rusi care au inceput dezvoltarea in 1949.(desenul de mai jos este de la rusi)
GT 101

Tancul Strv 103 

Realizat de suedezi la inceputul anilor '60 , acest tanc era propulsat de doua tipuri de motor :
- un motor Rolls Royce K 60, diesel tip boxer, folosit pentru croaziera la viteza mica si manevrare pentru tintire
- o turbina pe gaze Boeing 502 de 300 CP folosita pentru viteze mari sau teren accidentat
Aceasta combinatie de motoare de tip diferit, a fost ulterior folosita pe nave in configuratia numita CODAG (Combined Diesel or Gas), fata de varianta mai raspandita CODOG (Combined Diesel or Gas).
Deoarece puterea turbinei era prea mica, a fost inlocuita ulterior cu o turbina Caterpillar 553, ce dezvolta 490 CP. Noua varianta Strv 103b, avea o putere combinata de 730 CP, care asigura un raport de 18 CP/t.
Tancul a ramas in exploatare pana in 2001, fiind dezvoltate si variantele c si d, cu un motor diesel mai puternic si aceeasi turbina. 
Strv 103

Boeing 502

Catterpillar 553


Tancul T 80

In 1976 rusii au introdus in exploatare T-80, primul tanc operational propulsat integral de un motor tip turbina cu gaze. Proiectul unui astfel de tanc cu a demarat in 1949, trecand prin diverse variante de dezvoltare : a fost testat acest tip de motor pe IS-7,T-10,T-62 (Ob'yect 167T), T-64T (Ob'yect 219SP2). Acesta din urma , dupa sapte ani de imbunatatiri, a devenit T-80.
Motorul GDT 1000 produs de Klimov, dezvolta 1000 CP, avand un consum specific de 240 g/CP/h(cam 300 l/h) si a fost modernizat in doua variante mai puternice, de 1100, respectiv 1250 CP.
Ulterior a fost construit si tancul T-80UD, dotat cu motor diesel in doi timpi cu sase cilindri boxer.
Daca facem o comparatie intre motorul diesel si turbina pe gaze , se observa ca la aceeasi putere, consumul specific este de 160 g/CP/h fata de 235 g/CP/h.
 GTD 1000  
 Specificatii motoare turbina tanc T 80
Versions
GTD-1000T
GTD-1000TF
GTD-1250
power, hp
1000
1100
1250
specific fuel consumption, g/hp/hr
240
235
225
               
Length
1494
1494
1494
Width
1042
1042
1042
Height
888
888
888
Weight, kg
1050
1050
1050

 Specificatii motor diesel 6 TD2 pentru tancul T 80UD
Power pack
Volume
3.2 m³
Engine
Model
6TD-2
Type
 2-stroke 6-cylinder liquid-cooled multi-fuel diesel engine with horizontal placement of cylinders and opposed pistons 
Maximum power output
882 kW (1,200 hp)
Specific fuel consumption at maximum power output
218 g/kW-h (160 g/hp-h)
Weight
1,180 kg
Overall dimensions
Length
1,602 mm
Width
955 mm
Height
581 mm
Power transmission
Type
mechanical transmission with 2 side planetary gearboxes and hydraulic control, with 7 forward gears and one reverse gear.
Final drives
Reversive side final drives, which are placed coaxially wit
Motorul diesel 6TD-2


Specificatii tanc
T 80 U


Tancul M1 Abrams

Motorul cantareste 1134 kg , avand dimensiunile de 1629 mm x  991 mm x 807 mm si dezvolta 1500 CP, avand si un schimbator de caldura . Randamentul termic este de 28 %.

AGT 1500

                                                                     M1/IPM1                                 M1A1                            M1A2 

Consumul de combustibil este unul din dezavantajele turbinei pe gaze.
Un M1 parcurge 255 m cu un litru de combustibil, fata de un Leopard 2 dotat cu diesel, care parcurge 330 m . 
In conditiile de lupta din Desert Storm, distanta parcursa cu un litru a fost de doar 142 m/litru, la jumatate fata de Leopard 2. 
Practic in timpul operatiunilor, inaintarea tancurilor  a fost conditionata de viteza camioanelor de alimentare.
La relanti, consumul este de 2.5 ori mai mare decat la diesel.
Pentru a reduce consumul la relanti, se foloseste un motor auxiliar APU, pentru generare energie electrica si aer conditionat.
Cobustibilul folosit poate fi motorina, kerosen, alcool, aproape orice distilat de petrol eventual capturat in lupta, lectie invatata in WWII.

                 Consumul zilnic al uni tanc M1 
                      

Transmisia are 4 viteze plus doua de marsarier, fata de 8 viteze la un tanc propulsat cu diesel .
Un motor diesel necesita mai multe trepte pentru a compensa cuplul mic la turatii joase 

            Comparatii AGT 1500 vs Diesel
           
              
       

                  
Desi consumul de combustibil il dezavantajeaza , AGT 1500 asigura tancului M1, datorita masei reduse si cuplului mare, o mult mai buna acceleratie si maneabilitate.
Alte avantaje ale turbinei cu gaze, le constituie zgomotul, vibratiile si emisiile de fum reduse fata de diesel.
De aceea , tancul M1 este poreclit "Whispering death" - Moartea soptitoare.
Pornirea se face usor si la temperaturi scazute.
Un alt avantaj il constituie mentenanta simpla, fiabilitate ridicata  si usurinta inlocuirii grupului motor, care poate fi transportat cu elicoptere CH 47
Totusi , semnatura in infrarosu este mult mai mare, iar debitul crescut de gaze arse cu temperatura ridicata, impiedica infanteristii sa inainteze protejati in spatele tancului, un mare dezavantaj in luptele urbane.
                         
             
   Asa se aude

                                                

Fata de anii '70, cand a fost proiectat motorul AGT 1500, motoarele diesel au evoluat mult ca si performante, existand o scadere semnificativa a scaderii consumului specific. 
              
     Evolutie consum specific si noxe motoare diesel        
Chiar daca variante mai performate vor fi folosite pentru modernizarea M1 si T 80, este greu de crezut ca turbina pe gaze va putea concura in viitor motoarele diesel in echiparea tancurilor.




Niciun comentariu:

Trimiteți un comentariu