DUJŲ TURBINOS SUNKVEŽIMIUOSE
Liucijus Suslavičius
Dujų turbina nemažam skaičiui automobilininkų nėra naujiena, jie susiduria su ja kiekvieną dieną, kai sėda už vairo. Tik ne visada netgi apie tai žino – juk kas dedasi po variklio gaubtu, šiandieniniam vairuotojui neįdomu. O ten įsiurbimo trakte milžinišku greičiu sukasi variklio cilindrų išmetamų dujų varoma nedidelė turbina, sukanti į cilindrus orą su slėgiu pučiantį kompresorių. Bet tai pagalbinis agregatas, o ar negalėtų dujų turbina būti varikliu?
Būtent taip manė automobilių konstruktoriai, sužavėti pirmųjų serijinių reaktyvinių lėktuvų pasiekimais ore. Kaip žinia, serijiniai reaktyviniai lėktuvai pasirodė Antrojo pasaulinio karo pabaigoje, o po penkių-šešių metų oro erdvę jau raižė ne tik nedideli naikintuvai, bet ir dideli bombonešiai, artėjo reaktyvinių keleivinių lainerių era.
Taigi, pirmiausia išsiaiškinkime, kas gi tai per variklis – dujų turbina. Ji turi besisukantį darbo organą – rotorių, kuriam sukimo judesį suteikia ant jo menčių patenkantis dideliu greičiu judantis darbinio mediumo – įkaitusių dujų – srautas. Turbinos rotorius jo kinetinę energiją paverčia mechaniniu judesiu, šiuo atveju sukimusi. Techniškai turbinos konstrukcija nesudėtinga – prieš turbiną esantis radialinis kompresorius siurbia aplinkos orą, suspaudžia jį ir įpučia į degimo kamerą, į kurią pastoviai įpurškiami degalai, užsidegantys nuo įkaitusio oro. Tinka bet kokie skysti (taip pat ir biodegalai) ar dujiniai degalai, nepriklausomai nuo jų detonacinių bei užsiliepsnojimo savybių. Degimo produktai – įkaitusios dujos – iš degimo kameros didžiuliu greičiu veržiasi į darbinę kamerą ir, atsitrenkę į turbinos rato mentes, jį įsuka. Dabar belieka tik panaudoti turbinos veleno sukimo momentą turbinos pagalbinių agregatų ir transporto priemonės transmisijos pavarai. Paprasta, tiesa? O ir detalių toks variklis turi penkis kartus mažiau, nei klasikinis stūmoklinis vidaus degimo variklis, reiškia, mažesnė gedimo galimybė, ji sukasi tolygiai, be žymesnių vibracijų. Jei prie išmetimo sistemos prijungti šilumokaitį, galima dalį išmetamų dujų panaudoti įsiurbiamo oro pašildymui, kas teoriškai leidžia padidinti tokio variklio naudingumo koeficientą iki fantastiškų 95 procentų. Ir tai naudojant pačius įvairiausius ir pigiausius degalus. Be to, dujų turbina lengvai paleidžiama aplinkos temperatūrų diapazone nuo minus 50 iki plius 50 laipsnių. Dujų turbinos nebūtina aušinti (bent jau skysčiu), reikia mažiau tepalų, slėgiai neviršija 0,5 MPa. Be šių pranašumų, dujų turbina gali būti kelis kartus lengvesnė ir mažesnė už analogiškos galios vidaus degimo variklį.
Šeštojo dešimtmečio pradžioje, apie 1950 metus Vakarų Europos (Rover, Fiat, Austin), JAV (GMC, Ford, Chrysler) automobilių gamintojai, taip pat TSRS mokslinis–tiriamasis institutas NAMI, sužavėti aviacinių dujų turbininių variklių galimybėmis, užsiėmė tokių variklių automobiliams konstravimu bei tokiais varikliais varomų automobilių bandymais. Specialiuose konstravimo biuruose ir bandymų laboratorijose buvo sukurta daugybė įvairių turbinų. Lengviausia iš jų svėrė 30 kg, išvystydama 60 AG/45 000 aps./min galią, Pirmosios turbinos naudingumo koeficientas siekė tik 11 proc. Ekonomiškesnis variantas su regeneraciniu šilumokaičiu išvystė 204 AG/ 40 000 aps./min, bet svėrė 220 kg. 1951 metais britų pagamintas sportinis “Rover Jet 1” su 200 AG galios eksperimentine automobiline turbina išvystė 244,6 km/h greitį, po to modernizuotas jo variantas netgi gana sėkmingai dalyvavo 24 valandų lenktynėse Le Mano trasoje. Amerikiečiai irgi pagamino keletą eksperimentinių lengvųjų automobilių.
Pirmieji su dujų turbinomis kaip sunkvežimių pavaros agregatu eksperimentuoti pradėjo nepriklausomos firmos „Kenworth” inžinieriai. Dar 1952 metais jų bandomasis sunkvežimis sėkmingai įveikė 1445 mylių trasą nuo Kanados iki Meksikos sienos. Tačiau tokie eksperimentai brangiai kainuoja, tad nedidelė „Kenworth” toliau dujų turbinomis nebeužsiėmė. Užtat dabar atėjo tuo metu didžiausio pasaulyje automobilių koncerno „General Motors” eilė pasireikšti naujoje srityje. Koncerno sunkvežimių padalinys „Chevrolet Trucks” 1957 metų pradžioje pagamino eksperimentinį triašį vilkiką „Turbo Titan” su 200 AG „Whirlfire” modelio turbina ir kiek modifikuota automatine „Powermatic” transmisija. Kol „Chevrolet” specialistai gainiojo „turbotitaną” keliuose ir koncerno poligonuose, „pabudo” trečiojo pagal dydį koncerno „Chrysler” vadovai. Tada koncerno krovininių automobilių padalinys „Dodge” rimtai konkuravo su kitais gamintojais visose sunkvežimių klasėse, o svarbiausia, tuo metu po Ameriką jau „bėgiojo” keliasdešimt eksperimentinių lengvųjų automobilių „Chrysler” su dujų turbinomis vietoje tradicinių V8 motorų. Tad vieną jų sumontavo į vidutinės klasės „dodžą” ir taip pat pasileido bandymų trasomis. 1962 metais buvo pagamintas „Dodge Turbo Power Giant”, kuris šaltą sausį savo eiga atvažiavo į Čikagą, kur tapo ten vykusio automobilių šou žvaigžde. Dar po poros metų pagaliau sublizgėjo „Ford Motor Company” , pristačiusi didžiausią ir galingiausią iš visų iki tol pagamintų automobilių su dujų turbina – „Ford Red Giant”. 600 AG galios turbinos varomas triašis vilkikas bandymų metu vilko dviašę puspriekabę bei dar tokio pat dydžio triašę priekabą. Bendras autotraukinio svoris siekė 77 tonas. Neatsiliko ir „General Motors”, išleidusi į kelią jau trečią, labiausiai futuristinį „Turbo Titan III” pavadintą dujų turbinos varomą magistralinį vilkiką, žavėjusį tuos, kam pavykdavo jį pamatyti, reaktyvinio naikintuvo dizainą primenančiais oro paėmimo vamzdžiais aptakios gausiai įstiklintos kabinos šonuose, visą važiuoklę dengiančiais aptakumo skydais – žodžiu, tais elementais, kurie taps madingais po gerų trisdešimties metų.
Atsirado dar ir ketvirtas „turbinų lenktynių” dalyvis – sunkvežimių gamintojas „International Harvester”, karštoje Arizonos valstijoje atokiuose keliuose bandęs turbininį „Turbostar” su net trimis puspriekabėmis. Atrodė, jog serijinė sunkvežimių su dujų turbinomis gamyba jau ne už kalnų – 1971 metais „General Motors” parengia gamybai labai efektyvią ir kompaktišką 280 AG dujų turbiną GT-309, 1973 metais dar galingesnė – net 395 AG – dujų turbina „Ford” sumontuojama į svetimą transporto priemonę – priešgaisrinį automobilį „”Surphen”. Bet viskas baigėsi, kilus naftos krizei, kai arabų šalys paskelbė naftos embargą Izraelį palaikančiai JAV ir Vakarų Europos valstybėms. Gana sėkmingi amerikiečių eksperimentai buvo sustabdyti, ir kaip pasirodė, ilgam.
1959 metais institute NAMI į bandymus išriedėjo tarpmiestinio autobuso ZiL-127 bazėje pagamintas eksperimentinis autobusas “NAMI-053” su 350 AG/17000 aps/min dujų turbina. 13 tonų svėręs autobusas nesunkiai įsibėgėdavo iki 160 km/h. Septintojo dešimtmečio pradžioje savo duju turbina varomų sunkvežimių variantus sukūrė Didžiosios Britanijos koncernas “Leyland” ir Vakarų Vokietijos firma MAN. Visos šiuose eksperimentiniuose automobiliuose naudotos dujų turbinos buvo sukonstruotos pagal dviejų velenų schemą su šilumokaičiu ir svėrė nuo 430 iki 700 kilogramų. Iš degimo kameros besiveržiantis dujų srautas tokiose turbinose paskirstomas į du – vienas suka kompresorių varantį darbinį ratą, kitas, pagrindinis srautas nukreipiamas į transmisiją sukantį darbinį turbinos ratą. Perėjęs darbinę kamerą, karštų dujų srautas patenka į šilumokaitį, kur įkaitina vamzdelius, kuriais į degimo kamerą pučiamas oras, ir po to išmetamas į aplinką.
Bet jau aštuntajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje automobilių su dujų turbinomis kūrimo ir tobulinimo darbai visose tuo užsiėmusiose šalyse palaipsniui nuslopo, apie tokius automobilius nustota rašyti, jų niekas nebedemonstravo parodose ir techniniuose simpoziumuose. Kodėl? Dujų turbinos kaip pavaros agregato privalumus prieš stūmoklinius variklius jau išvardinome pradžioje. O trūkumai – štai jie:dujų turbina neturi stūmokliniam varikliui būdingos (ir labai svarbios praktikoje) stabdymo varikliu galimybės, jos veleno optimalių sūkių diapazonas labai siauras, t.y., dujų turbina neturi tų dabar itin vertinamų krovininiame transporte variklio eksploatacinių savybių. Be jų, yra ir sunkiai išsprendžiamų techninių problemų. Ar atkreipėte dėmesį į aukščiau suminėtus eksperimentiniuose automobiliuose naudotų dujų turbinų velenų apsisukimus – 17 tūkstančių, 45 tūkstančiai, 50 tūkstančių apsisukimų per minutę? Palyginimui – tradicinis automobilio variklio alkūninis velenas važiuojant 100 km/h greičiu, sukasi apie 2,0 – 2,5 tūkstančio apsisukimų per minutę. Tad kokios pavarų dėžės reikia, kad tokius išties milžiniškus sūkius paversti normaliais, kad automobilis su dujų turbina galėtų ne tik skrieti automagistrale, bet iš šliaužti begaliniuose “kamščiuose”? Be to, šiandieninis dyzelinis variklis ekonomiškesnis už dujų turbiną, o tai svarus argumentas ne turbinos naudai šiais naftos stygiaus ir brangimo laikais. Iš tikrųjų sunku pateikti objektyvią informaciją apie automobilinių turbinų ekonomiškumą, nes šiandien tokie automobiliai nei eksploatuojami, nei bandomi. Vienintelės žeme važinėjančios serijinės transporto priemonės su dujų turbinomis – tankai: amerikiečių “M 1 Abrams” bei tarybinis T-80. Pirmasis turi 1500 AG išvystančią turbiną, antrasis – 1325 AG. Su 1000 litrų degalų pirmasis nuvažiuoja apie 300 kilometrų, antrasis – 400 kilometrų, mat, sveria net 12 tonų mažiau. Taigi, kuro sąnaudos siekia 250 litrų 100 kilometrų kelio. Ar norėtumėte panašaus “ekonomiškumo lygio” automobilio? Palyginimui – standartinis 44 tonas su kroviniu (t.y. tiek pat, kiek T-80) sveriantis autotraukinys 100 kilometrų sunaudoja 35-40 litrų dyzelino. Net jei įvestume pataisos koeficientą dėl to, kad tankai juda bekele, o automobiliai – asfaltu, ir atsisakytume tokios didelės galios, vis tiek degalų sąnaudos būtų mažiausiai dvigubai didesnės, nei dyzelio. Gal būt, todėl kol kas automobiliai su dujų turbinomis šiandien tėra muziejaus eksponatai. Bet jokiu būdu netvirtinu, kad jų karjera galutinai baigta. Naujos technologijos gali vėl iškelti dujų turbiną į pirmąjį planą.
Nuotraukose:
1. Lenktyninis “Rover Jet 2”
2. “Chevrolet Turbo Titan III”
3.”Ford Big Red”
4.”International Turbostar”
5. NAMI-053
6. Automobilinės dujų turbinos schema
1.Radialinis kompresorius
2.Kompresoriaus turbina
3.Darbinė turbina
4.Transmisijos velenas
5.Šilumokaitis
6.Suspaustas oras
7.Atidirbusių dujų srautas
8. Šilumokaityje pašildytas oras
9.Degakų purkštukas
10.Degimo kamera
11.Įkaitusių dujų srautas