Турбина против поршней

Вотчина газотурбинных двигателей - авиация. Именно там они получили самое широкое применение для раскрутки самолетных или вертолетных винтов. Использование этого типа силовых установок на наземном транспорте 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 начнет крутиться. Или представьте себе ветряную мельницу: обтекая ее лопасти, ветер раскручивает ротор мельницы, передавая ему часть своей энергии. В газотурбинных двигателях аналогом ротора мельницы выступает силовая турбина. Но в отличие от мельниц она обтекается не просто вялым потоком воздуха, а струями раскаленных газов, скорость которых при набегании на лопатку превышает 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, например, колеса автомобиля или винт вертолета.
Для того чтобы получить высокоскоростной поток газов с температурой около 1000ºС, 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 осевого типа, принцип работы которого аналогичен вентилятору. Для привода компрессора, частота вращения которого может достигать нешуточных 60 000 оборотов в 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 используют для наддува поршневых двигателей.
Не следует путать газотурбинные двигатели 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» газотурбинного двигателя является крутящий момент, снимаемый с силовой турбины.
Часто для достижения лучшей эффективности газотурбинные двигатели создают с несколькими компрессорными и турбинными ступенями. Газотурбинный Pratt&Whitney, использовавшийся на Lotus 56 в Формуле-1, имел две компрессорные ступени (первый компрессор - осевой, второй - центробежный) плюс одну турбину для привода компрессоров и одну силовую турбину.

Газотурбинные двигатели имеют ряд серьезных преимуществ перед поршневыми машинами. Во-первых, их отличает высокое отношение мощности к массе двигателя. 800-сильный двигатель Формулы-1 весит около 100 кг. И это выдающийся показатель для поршневых моторов. Но для современных газотурбинных двигателей такой уровень удельной мощности - обычное дело. Даже в 1968 году газотурбинный двигатель Pratt&Whitney, развивавший мощность порядка 500 л.с., весил 118 кг, в то время как невероятно популярный тогда в Ф-1 Ford DFV, выдавая 425 л.с., весил 162 кг. При этом газотурбинный двигатель был далеко не в пиковой, предельно форсированной форме. В связи с требованиями регламента он был лишен нескольких компрессорных ступеней и имел «урезанное» сечение соплового аппарата турбины.
Другим неоспоримым достоинством газотурбинных двигателей является их длительный срок службы. В них, по сути, нечему 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, поршни и цилиндры в обычных двигателях. Долговечность и экономичность были одним из стимулов использования газотурбинных двигателей в качестве силового агрегата на Lotus 56. Ведь, к примеру, тот же Ford DFV требовал капитального ремонта после каждых 10 часов работы, тогда как газотурбинный Pratt&Whitney не нуждался в этой дорогостоящей процедуре в течение 1200 часов работы. Представьте себе потенциальную экономию от использования такого агрегата, несмотря даже на несколько большую начальную стоимость, учитывая при этом, что каждая переборка двигателя стоила порядка 10 тысяч долларов.
Газотурбинные двигатели отличались от своих поршневых соперников удивительной бесшумностью, за что STP-Paxton был прозван Тихим Сэмом. Негромкий, хотя очень характерный, свист турбин не шел ни в какое сравнение с натужным ревом выхлопа классических моторов. Однако поклонники истинно гоночного звука двигателей вряд ли оценили это достоинство.
В отличие от поршневого газотурбинный двигатель не глохнет при перегрузке, поэтому Lotus 56 не имел сцепления. Чтобы удержать машину на месте, требовалось постоянно нажимать педаль тормоза. При отпущенном тормозе даже без нажатия на «газ» автомобиль разгонялся до 130 км/ч.

Но если бы все было так радужно, газотурбинные двигатели, наверное, наши бы свое место под солнцем и в автомобильной технике вообще, и в автоспорте в частности. 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 тыс. оборотов в минуту. Поскольку в том же Lotus 56 силовая турбина была соединена непосредственно с колесами (без коробки передач), при разгоне автомобиля ротор раскручивался напрямую, требуя немалых затрат 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 инерционностью, но она на несколько порядков меньше и практически неощутима.
Более того, с тормозной динамикой у Lotus 56 дела обстояли совсем худо. Поскольку мощность газотурбинного двигателя сильно зависела от количества воздуха, прокачиваемого через него компрессором, для эффективного использования двигателя необходимо было постоянно подцерживать 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 максимальную мощность сразу же после выхода 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 Формулы-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 газотурбинных двигателей является их прожорливость. Lotus 56 имел топливный бак объемом 280 литров, почти в два раза больше, 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.
Познакомившись с повадками Lotus 56, Формула-1 быстро разочаровалась в газотурбинных двигателях. А скоро они вообще были запрещены во всех ведущих категориях автоспорта. Основная причина запрета, наверное, заключалась в следующем. На дорожных машинах использовался классический поршневой двигатель, поэтому применение на гоночных автомобилях авиационных агрегатов отдаляло автоспорт от «народных масс», что не было выгодно командам, спонсорам и автопроизводителям.
Но если бы не запрет, инженерам, без всякого сомнения, со временем удалось бы создать газотурбинный двигатель для гоночного автомобиля, превосходящий по своим показателям поршневой. Использование современных типов трансмиссий, клиноременных вариаторов или электротрансмиссий, внедрение электронных систем управления могло бы обеспечить работу двигателя практически на постоянной частоте вращения, что положительно сказалось бы на динамике разгона и торможения. Технологии двадцать первого века могли бы справиться и с повышенным расходом топлива, приблизив газотурбинные агрегаты по экономичности к спортивным поршневым моторам.
Кстати, строго говоря, газотурбинные двигатели не исчезли из-под капотов машин Формулы-1 после неудач Lotus 56. Дело в том, что турбонаддув, появившийся в Формуле-1 в 1977 году, есть не что иное, как использование газотурбинного двигателя в качестве вспомогательного агрегата для наддува двигателя. Хотя и он был запрещен с сезона 1989 года, после чего поршневые атмосферные двигатели стали единственным типом силовых агрегатов, использование которых допустимо вФормуле-1.

Артем Краснов