Strona główna » Bez kategorii » Fantazje z lat pięćdziesiątych mogą stać się rzeczywistością!!

Fantazje z lat pięćdziesiątych mogą stać się rzeczywistością!!

Archiwum

Wśród futurystycznych fantazji lat 50-tych były m.in. samochody napędzane turbinami gazowymi. Nieco takich pojazdów nawet zbudowano, nie tylko samochody, ale i lokomotywy, a właściwie każdy rodzaj pojazdu.

Jedyne, które się przyjęły to wszelkiego rodzaju sprzęt latający, gdzie turbina gazowa w różnych swoich odmianach jest praktycznie jedynym rodzajem silnika i sprawdza się bardzo dobrze, oraz okręty, gdzie zdaje egzamin. A także czołgi, co do których praktyka pokazała, że jest to tragicznie niepraktyczny rodzaj silnika.

Najpierw jednak wyjaśnię, o czym w ogóle mówimy.

Punktem wyjścia jest silnik odrzutowy

Jest to koncepcyjnie najprostszy rodzaj silnika wewnętrznego spalania. Tak naprawdę mówimy o rurze, w której odbywa się spalanie na zasadzie samozapłonu paliwa w gorącym powietrzu, czyli tak samo jak w silnikach diesla. Różnica polega na tym, że powietrze do spalania nie jest sprężane za pomocą tłoka, tylko sprężarki. Ta sprężarka to po prostu łopaty zamontowane na osi biegnącej wzdłuż silnika. U wylotu silnika, na tej samej osi są zamontowane następne łopaty, które są napędzane energią rozprężania spalin i służą do napędu sprężarki. Energia do napędu pojazdu pochodzi po prostu z rozprężania gazów wylatujących z silnika. Takie silniki budowano i użytkowano w czasie II w.ś. i jeszcze trochę później, dziś to jest wyłącznie eksponat muzealny.

Skoro już nie ma silników odrzutowych, to co właściwie jest?

Są rzeczy które z nich wyewoluowały, bo silnik odrzutowy nie nadawał się do zbyt wielu zastosowań. Silniki działające na zasadzie odrzutu działają całkiem dobrze przy dużych prędkościach, zwłaszcza naddźwiękowych, ale bardzo nieefektywnie przy niskich. Co, wbrew pozorom, bardzo nie pasuje do potrzeb napędu samolotów. Najwięcej mocy potrzeba dokładnie przy rozpędzaniu się na pasie startowym, następnie w trakcie wznoszenia. Aby rozwiązać ten problem wymyślono, że przecież mając napędzaną oś, można ją użyć nie tylko do sprężania powietrza do silnika, ale także do odepchnięcia samego powietrza, czyli efektywnie użycia części sprężarki jako śmigła. W razie potrzeby można to zrobić nie bezpośrednio od wału, a przez przekładnię. W ten sposób można też napędzać zwykłe śmigło. Albo generator. Albo samochód.

I drodzy czytelnicy, własnie wam opisałem silniki odrzutowe, turboodrzutowe, turbowentylatorowe i turbiny gazowe. I być może jeszcze kilka innych typów silników, bo nie mam pojęcia ile jeszcze jest nazw na to samo urządzenie, ani kto je wymyślał. Za to mam podejrzenie, że tyle zostało nawymyślanych w celu przekonania klientów/decydentów o tym, ze to wszystko są wielce skomplikowane przełomowe wynalazki. Nie są. Sama koncepcja jest bardzo stara (co najmniej z połowy XIX wieku), a praktyczny problem polegał na wytrzymałości materiałów całej konstrukcji, co udało się uzyskać w latach 30-tych ubiegłego wieku. Może dałoby się wcześniej, gdyby nie brak praktycznych zastosowań, a wówczas był już widoczny kres możliwości rozwojowych lotniczych silników tłokowych, więc nowy typ  silnika miał swoje miejsce.

Aby nie wprowadzać nadmiernego zamieszania ja będę używać jednej nazwy — turbina gazowa. Która to nazwa też jest znakomicie myląca, bo może sugerować silnik zasilany paliwem gazowym. Oczywiście tak nie jest.

Dzięki swojej konstrukcji turbina gazowa może być zasilana właściwie dowolnym paliwem, byleby nie powodowało dodatkowych problemów mechanicznych. Co w skrócie oznacza, że może być zasilana dowolnym paliwem płynnym lub gazowym. Próby używania pyłu węglowego i podobnych paliw kończyły się szybkim zużyciem takiego silnika.

W zastosowaniach lotniczych używa się paliwa, które jest łatwe w użytku i zawiera maksimum energii w stosunku do wagi i objętości. Na lądzie tego, które jest najtańsze i najwygodniejsze. Tego jednak nie determinuje sama konstrukcja silnika, jak w przypadku tłokowych.

Kolejne zalety to całkiem niezła trwałość oraz niemożliwa do pobicia zwartość konstrukcji.

To wszystko razem brzmi jak silnik idealny, nieprawdaż?

Otóż zupełnie nieprawda. Drobna wada, która dyskwalifikuje turbiny gazowe z większości zastosowań to bardzo wąski zakres obrotów, w którym działa z akceptowalną sprawnością. Albo ujmując to inaczej: turbina gazowa zużywa cały czas prawie taką samą ilość paliwa, niezależnie ile mocy dostarcza. W przypadku samolotów to jest w jakimś stopniu akceptowalne, co najwyżej wymusza projektowanie ich w taki sposób, aby różnica potrzebnej mocy przy starcie/wznoszeniu i lotem na stałej wysokości była jak najmniejsza. Samoloty są przez to znacznie mniej wydajne niż mogły by być jako np. elektryczne, ale jakoś to wszystko działa. Oraz mają bardzo niski zapas mocy, przez co potrzebują długich pasów startowych.

W przypadku samochodów, czy pociągów, które dość rzadko używają pełnej mocy, a znacznie częściej drobnego jej ułamka, oznacza to po prostu bezsensowne spalanie ogromnych ilości paliwa.

To samo dotyczy czołgów

Tam czasem górę brała kalkulacja militarna i powstały co najmniej dwa seryjne modele napędzane turbiną gazową. Jednym z nich był radziecki T-80, po upadku ZSRR szybko wycofany ze służby, m.in. z powodu obłędnego zużycia paliwa za którym nie nadążała logistyka.

Przedział silnikowy był zbyt mały na zwykłego diesla, ale już po rozpadzie ZSRR, na Ukrainie udało się zamontować dwusuwowego diesla wystarczającej mocy i powstał całkiem dobry pojazd. Bez turbiny gazowej.

Drugim jest amerykański Abrams. Który jest pojazdem liniowym od prawie 40 lat i pewnie jeszcze długo będzie nadal. W przeciwieństwie do radzieckiej i rosyjskiej, w armii USA nie ma zwyczaju rozkradania wszystkiego co da się sprzedać, oraz kolumny transportowe są na znacznie wyższym poziomie, więc nawet tak olbrzymie ilości paliwa mogą zostać dostarczone. Ale nie zmienia to faktu, że ten silnik się po prostu nie nadaje. Ale normalny diesel się do tej konkretnej komory silnika nie zmieści, więc pozostaje tak jak jest.

To właściwie do czego się nadaje turbina gazowa?

Oczywiście jako elektrownia szczytowa, szybka do uruchomienia i droga w eksploatacji, na czasy, gdy prąd jest potrzebny i nie ma żadnego źródła. W dzisiejszej perspektywie, nawet gdy zakończymy transformację sieci energetycznej w całości na dzisiejsze cuda techniki — wydajne elektrownie wiatrowe, dużo fotowoltaiki oraz składowanie bateryjne, to i tak pozostaną okresy, na przykład wyjątkowo bezwietrzna jesień, gdy energii odnawialnej będzie mniej niż zwykle. Lub odwrotnie — zapotrzebowanie przemysłu będzie o tyle większe, że dotychczasowe możliwości produkcyjne nie wystarczą i potrzeba będzie chwilowych dodatkowych dostaw energii. Zwykle nieużywane elektrownie z turbinami gazowymi lub silnikami tłokowymi są zupełnie dobrym rozwiązaniem i nie należy wyburzać wszystkich dziś istniejących. Budować nowych oczywiście też nie.

Elektryfikacja lotnictwa też jest rzeczą, która oczywiście się zdarzy. Napęd elektryczny jest o tyle doskonalszy, że kiedy to będzie możliwe, z całą pewnością wyprze turbiny gazowe. A dzisiejsze baterie stawiają tę sprawę na granicy możliwości.

W takim razie czy jest miejsce dla turbin gazowych?

Ależ tak! I to zupełnie nowe, znakomite miejsce!

Jak wspomniałem wyżej, turbina gazowa jest dobrym silnikiem, o ile tylko pracuje w wąskim zakresie obrotów, bliskim mocy maksymalnej. Co oznacza, że może dobrze działać w systemach hybrydowych.  Tak naprawdę znacznie lepiej niż silniki tłokowe, bo potrzebuje mniej miejsca, mniej obsługi (do czasu..) oraz może używać prawie dowolnych paliw.

Kwestia dobrania stosownej mocy.

Małe turbiny gazowe są dość niewydajne i i realnej konkurencji dla silników tłokowych możemy mówić dopiero około 500 kW. To jest pierwsze ograniczenie.

Pozostałe ograniczenia to po prostu kwestia rozsądnego dopasowania układu napędowego do pojazdu. Turbina powinna pracować wystarczająco długo, aby zdążyła się rozgrzać i większość energii dostarczyć przy stabilnej pracy. To oznacza, że bateria powinna móc zgromadzić energię z co najmniej kilkudziesięciu minut pracy turbiny. Drugi wymóg jest taki, że powinna mniej-więcej odpowiadać maksymalnemu zapotrzebowaniu na moc pojazdu. Skoro już mamy ten silnik spalinowy, który zasadniczo ma służyć do ładowania baterii, to niech przynajmniej pozwala na zasięg ograniczony ilością paliwa, a nie paliwa oraz baterii.

W takim razie mamy turbinę gazową 500 kW, 500 kWh baterii i silniki elektryczne mocy dość dowolnej, ale maksymalne stałe zapotrzebowanie na energię w okolicach 500 kW. To nie jest opis samochodu osobowego. Ale jest to zupełnie dobry opis pojazdu ważącego około 50-80 ton. Co odpowiada niewielkim kolejowym zespołom trakcyjnym, pociągom drogowym czy właśnie czołgom. Do tego opisu dochodzą też mniejsze lokomotywy, manewrowe i lokalne, zwykłe europejskie ciężarówki o dopuszczalnej masie 44 ton są trochę za małe.

Rzecz jasna nic nie stoi na przeszkodzie, aby dotyczyło to także większych pojazdów. Tak naprawdę bez żadnych ograniczeń, bo nawet jeśli dojdziemy do maksymalnej praktycznej wielkości turbiny gazowej (a to jest kilkadziesiąt megawatów), to i tak zawsze można zamontować kilka w jednym układzie.

Przyznam, że jednak najbardziej mi przemawia do wyobraźni idea elektrycznego czołgu.

 


Przypominam też o stronie na Facebooku, gdzie nie tylko są anonsowane nowe wpisy, ale też bywają informacje i krótkie komentarze oraz, co ważne dla wszystkich, wsparciu przez Patreon, które pozwoli tworzyć lepszą treść.


Bonus:

Kilka uwag o sprawności turbiny gazowej

  1. Miejscem, gdzie następują spore straty energii w turbinie gazowej jest odstęp pomiędzy łopatkami turbin a obudową. Jako długość tej przerwy to po prostu obwód, który rośnie proporcjonalnie do promienia (2Πr), a moc proporcjonalnie do przekroju, czyli z kwadratem promienia (Πr2), to w miarę wzrostu mocy ten problem staje się coraz mniej istotny. I odwrotnie, sprawia, że małe turbiny są mniej wydajne.
  2. Turbina jest silnikiem cieplnym, więc jej sprawność jest ograniczona różnicą temperatur pomiędzy górnym i dolnym źródłem ciepła. W tym przypadku to jest temperatura spalania z jednej strony i temperatura jaką osiągają spaliny po całkowitym rozprężeniu z drugiej.  Łopatki pierwszego stopnia za komorą spalania osiągają jej temperaturę przy wysokich prędkościach obrotowych i idących za tym obciążeniach. Co oznacza, że dokładnie w tym miejscu używa się najlepszych materiałów jakie ludzkość potrafi wytworzyć, a i tak zawsze przydadzą się lepsze, bo dzięki temu silniki będą trwalsze i oszczędniejsze.☺☺
Advertisements

7 komentarzy

  1. Jacek pisze:

    A tu proszę – ciekawostka przyrodnicza:
    http://www.drewnozamiastbenzyny.pl/turbina-gazowa-walizce/
    Ale spalaniem się nie chwalą, więc pewnie to najdroższe 400W na świecie.
    Gdzieś w otchłaniach internętu widziałem też prototyp turbiny gazowej z osią obrotu prostopadłą do kierunku przepływu gazów (coś w stylu łopatkowego koła wodnego). Bodajże był to projekt specjalnie dla motoryzacji, ale temat zamarł.

  2. Turbina gazowa z osią prostopadłą jest wydajniejsza jako mały silnik niż klasyczna. I jest to relatywnie częsta garażowa robota, bo można ja zrobić z samochodowego turbo.

  3. Marek W. pisze:

    Tak sobie myślę w czym zestaw turbina + generator prądu + baterie + silniki elektryczne byłby lepszy od klasycznego diesla?

    Plusem byłaby rezygnacja ze skrzyni biegów i pewnie lepsza dynamika i moment obrotowy.
    Pewnie plusem byłby też „stealth mode” – cicha jazda na akumulatorach bez emisji ciepła spalin…

    Nie wiem jak wyglądałaby kwestia rozmiarów całości – jak duża musiałaby być bateria akumulatorów bo to raczej zwiekszyloby masę i rozmiar potrzebnego pancerza.

    Z drugiej strony i tak bez dostaw paliw by się nie obyło.

  4. @Marek W.
    „Cichy bieg” przemawia do wyobraźni i pewnie by przemówił do wojskowych.
    Co do wymiarów- czołg potrzebuje niezłych przyspieszeń, bo to kwestia przeżycia. Elektryczne sprawdziłyby się lepiej.
    Więc maja potężne silniki. Leopard 2 to 1,2 MW, powerpack waży 6120 kg. Turbina Abramsa waży 1200 kg przy tej samej mocy. Taka moc jest nie jest potrzebna w hybrydzie, ale powiedzmy, że zostaje prawie 4 tony na baterie, a hydraulika jest wymieniona 1:1 na układ elektryczny.
    W Abramsie by się nie zmieściło, ale w Leopardzie już pewnie tak. Przy bateriach 200 Wh/kg to nam daje 800 kWh. Przy jakimś dostępie do sieci energetycznej to by chyba załatwiało sprawę używania silnika przynajmniej w czasach szkoleń.
    Nieco zgaduję, że taka zabawka by zużywała w granicach 2-5 kWh/km, więc dla pełnej autonomii operacyjnej ta turbina jednak jest potrzebna. Ale by była używana bardzo rzadko.

  5. @darek
    Hmmm. Pierwsze i podstawowe pytanie- komu i gdzie to ma służyć? Na dziś pojazdy wyłącznie elektryczne są wystarczająco dobre wokół domu oraz w gęsto zaludnionych częściach pierwszego świata. Bo jesteśmy blisko ładowarki. Jeśli mówimy o hybrydzie to ja to widzę na dziś i jutro na olbrzymich przestrzeniach mniej zaludnionych krajów- Rosji, Kazachstanu, Brazylii, etc. A ten samochód nie przypomina pojazdu na azjatyckie stepy.
    @Piotr34
    Pomysł lekkiego dostawczaka jest sam w sobie dobry, to jeden z pierwszych segmentów rynku gdzie widzę dominację elektryków. A reszta wygląda jak Ursus już mnie przyzwyczaił:
    1. Bez większych konkretów technicznych, co robi podejrzenie wydmuszki. 2. Wymiary, które budzą duże wątpliwości (po co ten nos?).
    3. Kształt niedopasowany do napędu (w elektryku trzeba naprawdę walczyć o każdy kawałek oporu powietrza, a wystające kanty budy to zabójstwo dla baterii przy prędkości)
    4. Dziwne propozycje techniczne z uzasadnieniem które wali lipą. 5- fazowy silnik „dla podwyższenia momentu przy ruszaniu”. Przy elektryku to nie jest potrzebne, chyba że naprawdę brakuje mocy. Ale jeśli jej brakuje to aerodynamika jest jeszcze większym problemem. Zwykły silnik 3-fazowy i 90 KM wystarczy dla ruszenia 40 ton pod górę, jak nie więcej.
    I pewnie by się jeszcze parę takich punktów znalazło. Z każdym wielkim sukcesem Ursusa jest tak samo..

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: