Газотурбинный автобус на базе ЗИЛ-127.

Созданный в НАМИ экспериментальный автомобильный газотурбинный двигатель ТурбоНАМИ-053 после стендовых испытаний был установлен на междугородный автобус ЗИЛ-127 с целью проведения длительных дорожных испытаний двигателя и экспериментального определения эксплуатационных качеств и особенностей автомобиля с газотурбинным двигателем.

Двухвальный газотурбинный двигатель, состоящий из турбокомпрессора и отдельной тяговой турбины без теплообменника, располагался в задней части автобуса на месте дизеля ЯМЗ-206Д и закреплялся в трех опорах с использованием основных деталей подвески стандартного двигателя. Отделение для двигателя было расширено и изолировано от салона автобуса специальной перегородкой с дверью, что уменьшало шум двигателя и позволяло осматривать его во время движения. При расположении газотурбинного двигателя сзади достаточно просто размещаются впускной и выпускной трубопроводы, что обычно затруднено из-за их больших проходных сечений.

Воздухозаборник с защитной сеткой на входе располагался на крыше автобуса, откуда воздух в двигатель поступал по вертикальному впускному трубопроводу, покрытому внутри паралоном для глушения шума. При этом в компрессор попадало сравнительно мало дорожной пыли. Отработавшие газы по трубопроводу выпускались вверх, что обусловливалось соображениями безопасности из-за высокой температуры газов, иногда (при «забросах») достигавшей 700−800°. Выпускной канал с целью глушения шума внутри был покрыт асбестовой ватой.

На автобусе была установлена спроектированная и изготовленная автозаводом имени Лихачева коробка передач с прямой и понижающей передачами и задним ходом. Во втором этапе испытаний для улучшения тяговых качеств автобуса передаточное число первой передачи коробки было увеличено с 1,9 до 2,83, заднего хода — с 1,97 до 2,39.

Коробка консольно закреплена на корпусе редуктора тяговой турбины двигателя. Вторичный вал коробки посредством карданной передачи соединен со стандартной главной передачей.

Чтобы избежать опасного увеличения числа оборотов — «разноса» тяговой турбины двигателя, в коробке предусмотрено переключение с прямой передачи на понижающую и наоборот без разрыва потока мощности. Включение заднего хода возможно только с прямой передачи. Управление коробкой электропневматическое.

Динамические качества автобуса определялись прибором «путь-время- скорость» с «пятым» колесом, а расход топлива — специальным прибором, изготовленным в НАМИ. Нагружение трансмиссии в различных дорожных условиях и вибрации двигателя изучались при помощи электронно-измерительной аппаратуры.

Общий вес автобуса в снаряженном состоянии и с экипажем испытателей составлял 12 500−13 000 кг. В первом этапе дорожных испытаний (в 1958—1959 гг.) автобус прошел 5500 км, во втором этапе (в 1961 г.) его пробег составлял 10 100 км. Газотурбинный двигатель проработал 310 ч на автобусе и 210 ч на стенде.

Почти равные мощности газотурбинного двигателя во втором этапе испытаний (примерно 174 л. с.) и дизеля ЯМЗ-206Д (180 л. с.) позволяли сравнивать эксплуатационные качества автобусов с газотурбинным и поршневым двигателями. При этом наибольшее тяговое усилие автобуса с газотурбинным двигателем из-за малого передаточного числа понижающей ступени его коробки передач в 1,5 раза ниже, чем у автобуса с поршневым двигателем.

Дорожные испытания автобуса проводились главным образом при длительных рейсах по Минскому и Ленинградскому шоссе с пробегом до 500−700 км в день, а так же в условиях интенсивного автомобильного движения по магистралям Москвы в разные сезоны года (летом, осенью, зимой), при разнообразной погоде и температуре воздуха от +29 до -26°. Газотурбинный двигатель работал на керосине, бензине, дизельном топливе (летнем и зимнем) и на смесях этих топлив в различных соотношениях. Дизельное топливо и его смесь с керосином вызывала небольшое дымление при работе турбокомпрессора ниже 10 500 об/мин.

Динамические качества, топливная экономичность и нагрузки в трансмиссии автобуса определялись в основном на 120−125-м км Ленинградского шоссе; параметры измерялись несколько раз при движении в обоих направлениях. Мерный участок для определения расхода топлива равнялся 1 км.

Во время испытаний были получены четкие пуски двигателя; топливо в камере сгорания воспламенялось летом через 3−10 сек раскручивания турбокомпрессора стартером, зимой, когда автобус оставался на улице, через 10−25 сек. Суммарное время выхода на режим холостого хода 10 000 об/мин турбокомпрессора составляло 30−35 сек летом и 40−45 сек зимой.

Принятые меры по глушению шума во впускном и выпускном трубопроводах двигателя снизили общий уровень шума в салоне автобуса и на расстоянии 1−2 м от двигателя снаружи до 80 дб.

По загородном у шоссе автобус двигался обычно со скоростью 80−100 км/ч, а в отдельных случаях выше 120 км/ч по городу и пригородному шоссе — со скоростью не более 40−60 км/ч и, как правило, только на понижающей передаче, улучшающей его разгон. На загородных линиях использовалась главным образом прямая передача. Так, за рейс Москва-Можайск-Москва (570 км), включая движение в городских условиях, производилось в среднем по 10 переключений коробки передач, причем понижающая передача использовалась в течение 4−15% всего времени движения автобуса.

Характеристики разгона автобуса — изменение скорости по времени и пути разгона — определялись, на прямой и понижающей передачах коробки при трогании с места и последующем движении как с максимальной мощностью турбокомпрессора, предварительно раскрученного до наибольших чисел оборотов на заторможенном автобусе, так и с одновременным увеличением числа оборотов (мощности) в процессе разгона при полной подаче топлива.

При разгоне на прямой передаче с одновременным раскручиванием турбокомпрессора автобус начинал двигаться спустя 6−10 сек после нажатия на педаль подачи топлива, на понижающей передаче — сразу же после подачи топлива и отпускания тормозов автобуса, так как тяговое усилие при минимальных числах оборотов турбокомпрессора было достаточным для трогания.

Время разгона на понижающей передаче до скорости, соответствую щей числам оборотов тяговой турбины, близким к максимальным (60 км/ч в первом и 40 км/ч во втором этапах), на 30−40% (10−15 сек) меньше, чем на прямой передаче до той же скорости. Предварительное раскручивание турбокомпрессора уменьшает время разгона автобуса на 6−10 сек, т. е. разгон до скорости 30 км/ч улучшается на 40−50%. Однако суммарное время разгона, включая раскручивание турбокомпрессора в среднем в течение 15 сек, при этом увеличивается. Предвари тельное раскручивание целесообразно при располагаемом для этого времени, например во время остановки перед светофором. В условиях интенсивного движения с частыми торможениями и обгонам и динамические качества улучшаются при работе двигателя с высокими числами оборотов турбокомпрессора, т. е. с притормаживанием автобуса без прекращения подачи топлива.

Разгон автобуса с газотурбинным двигателем на прямой передаче до скоростей 40−60 км/ч в 2 раза хуже по сравнению с автобусом, имеющим поршневой двигатель. При использовании понижающей и прямой передач врем я его разгона так же несколько больше (на 7 сек), чем у автобуса с поршневым двигателем. Однако до высоких скоростей (90−100 км/ч) разгон обоих автобусов примерно одинаков.

Высокий момент инерции турбокомпрессора и вызванный этим его медленный выход на максимальную мощность обусловливает малые по сравнению с автобусом, имеющим поршневой двигатель, ускорения автобуса с газотурбинным двигателем при трогании, особенно на прямой передаче, а так же во время движения после его притормаживания с прекращением подачи топлива и последующим раскручиванием турбокомпрессора. Однако у газотурбинного двигателя имеются большие возможности улучшить его приемистость. В этом случае ускорение автобуса с газотурбинным двигателем в указанных условиях может быть выше, чем у автобуса с поршневым двигателем.

Экспериментальные характеристики топливной экономичности автобуса с газотурбинным двигателем, полученные при дорожных испытаниях: расход топлива на 100 км пути минимален при скорости около 85 км/ч (принят за 100%). При скоростях 65−110 км/ч расход изменяется мало по сравнению с минимальным, с уменьшением скорости ниже 60 км/ч расход резко (в 2,5 раза) возрастает.

Применение понижающей передачи до 10−15% уменьшает расход топлива на малых (20−30 км/ч) скоростях. При скорости выше 30−40 км/ч более экономична прямая передача. Увеличение передаточного числа понижающей передачи (во втором этапе) уменьшает скорость с 45 до 32 км/ч, при меньших скоростях применение понижающей передачи снижает расход топлива по сравнению с расходом на прямой передаче.

Время раскручивания турбокомпрессора от начальных чисел оборотов до максимальных по данным испытаний составляет 12−20 сек. Крутящий момент при раскручивании турбокомпрессора на неподвижном автобусе возрастает плавно, а после трогания приобретает колебательный характер с амплитудой около 15 кгм на прямой и до 100 кем на понижающей передачах при частоте колебаний соответственно около 3,5 и 1,5 гц. Нагружение трансмиссии при трогании автобуса с одновременным раскручиванием турбокомпрессора имеет аналогичный характер, и колебательный процесс возникает так же сразу после трогания.

Сопоставление с результатам и испытаний автобуса с поршневым двигателем (проводимых на автозаводе имени Лихачева в 1947 г.) показывает, что нагрузки в трансмиссии автобуса с газотурбинным двигателем при его трогании с места не выше, чем у автобуса с поршневым двигателем при плавном включении сцепления и значительно ниже по сравнению с резким включением сцепления, когда наибольший момент на полуоси автобуса с поршневым двигателем в 1,8 раза выше максимального по двигателю, равного 800 кгм. Особенно низкое и плавное нагружение трансмиссии возникает при трогании автобуса с газотурбинным двигателем на прямой передаче.

Колебательный характер нагрузок в трансмиссии автобуса с газотурбинным двигателем сохраняется при всех режимах его движения, причем частота колебаний почти не зависит от скорости и равна около 3,5 гц на прямой и 1,5−2,0 гц на понижающей передачах с амплитудой колебаний до 80 кгм. При выбеге автобуса с неработающим двигателем (на прямой передаче) амплитуда колебания относительно нулевой линии нагрузки достигает 100 кгм.

На всех осциллограммах наблюдается также и второй вид крутильных колебаний, зависящих от скорости автобуса, с частотой 7,5−8,5 колебаний за один оборот ведущ его колеса и с амплитудой около 8 кгм на понижающей и 15 кгм на прямой передачах. При активном движении и выбеге со скоростью 75 км/ч их амплитуда увеличивается до 30 кгм.

Такие же высокочастотные крутильные колебания возникают и в трансмиссии автобуса с поршневым двигателем с частотой колебаний 7,5 за оборот ведущего колеса и с резким увеличением амплитуды до 30 кгм при скорости 60 км/ч. Амплитуда первого вида колебаний у автобуса с поршневым двигателем при активном движении не превышает 50 кгм; при выбеге эти колебания отсутствуют, тогда как у автобуса с газотурбинным двигателем их амплитуда значительна.

Осциллограммы нагрузок в трансмиссии снимались при полной подаче топлива, т. е. при максимальной мощности турбокомпрессора во время разгона автобуса, чем и следует объяснить большую величину крутящих моментов на его полуоси по сравнению с автобусом, имеющим поршневой двигатель, при равных скоростях движения. Большая амплитуда колебаний нагрузок, очевидно, вызвана тем, что момент инерции тяговой турбины, приведенный к выходному валу двигателя, равный 75 кгсм-сек2, значительно выше, чем у маховика дизеля ЯМЗ-206Д — 31 кгсм-сек2.

Наибольшие нагрузки в трансмиссии автобуса с газотурбинным двигателем возникают при переключении с понижающей передачи на прямую во время движения. Максимальный момент после переключения возрастает с увеличением скорости по линейной зависимости от 416 кгм при 10 км/ч до 570 кгм при 17 км/ч. На скоростях до 17 км/ч величина этого момента не больше, чем в аналогичных случаях у автобусов с поршневым двигателем. Указанные перегрузки трансмиссии вызываются недостаточно плавным включением фрикционной муфты коробки передач и приводят к резким толчкам всего автобуса.

Нагрузки в трансмиссии автобуса с газотурбинным двигателем при переключении с прямой передачи на задний ход и наоборот, а так же с прямой передачи на понижающую сравнительно невелики и, очевидно, вызываются кратковременным (до 0,5 сек) разрывом потока мощности при переключениях.

Случайное прекращение электропитания системы управления коробкой передач автобуса с газотубинным двигателем вызывает принудительное включение понижающей ступени, что при большой скорости движения на прямой передаче может привести к поломке двигателя из-за превышения допустимых чисел оборотов тяговой турбины. Во время дорожных испытаний наблюдалось разрушение тяговой турбины — обрыв ее лопаток при внезапном прекращении электропитания системы управления коробки на скорости 83 км/ч.

Зубчатая муфта коробки не всегда легко входила в зацепление с шестерней понижающей передачи или заднего хода, вследствие чего торцы шлицев муфты и шестерни сминались и изнашивались, и однажды при попытке включить задний ход зубья муфты не вошли в шлицы соответствующей шестерни, что не было замечено, и при последующей подаче топлива число оборотов тяговой турбины резко возросло и ее лопатки вытянулись (ограничитель оборотов не действовал).

Автобус с газотурбинным двигателем не мог тормозиться двигателем и, кроме того, часто притормаживался без прекращения подачи топлива. Поэтому тормоза этого автобуса изнашивались быстрее, чем у автобуса с поршневым двигателем. Для повышения безопасности движения в автобусе с газотурбинным двигателем желательны приспособления для торможения двигателем или дополнительные замедлители.

Выводы

1. Удовлетворительная тяговая характеристика автобуса, имеющего газотурбинный двигатель, с мощностью двигателя, равной мощности поршневого двигателя, может быть получена при двухступенчатой коробке передач (вместо четырехступенчатой у обычного автобуса).
2. При равной мощности двигателей разгон автобуса с газотурбинным двигателем до малых и средних скоростей несколько ниже — на 7 сек по сравнению с автобусом, имеющим поршневой двигатель. До высоких скоростей автобусы разгоняются примерно за одинаковое время. Понижающая передача на 30−40% улучшает разгон автобуса до средних скоростей.
3. Наименьшее количество топлива автобус с газотурбинным двигателем расходует при скорости 65−110 км/ч. С уменьшением скорости расход резко возрастает — в 2,5 раза при 20 км/ч. Понижающая передача улучшает экономичность при низких скоростях на 10−15%. При скорости выше 30−40 км/ч более экономична прямая передача.
4. Нагрузки в трансмиссии автобуса с газотурбинным двигателем при его трогании с места имеют более плавный характер по сравнению с автобусом, имеющим поршневой двигатель. При активном движении и выбеге с различными скоростями в трансмиссии возникают два вида крутильных колебаний нагрузки: первый с частотой 1,5 и 3,5 гц и амплитудой, в 2 раза большей, чем у поршневого; второй — с частотой 7,5−8,5 колебаний за оборот ведущего колеса и с резонансом при скорости около 75 км/ч аналогичен подобным колебаниям у автобуса с поршневым двигателем.
5. Наибольшие динамические нагрузки в трансмиссии автобуса с газотурбинным двигателем возникают при переключении с понижающей передачи на прямую и вызываются резким включением фрикционной муфты коробки.
6. Самопроизвольное включение понижающей передачи при случайном прекращении электропитания системы управления коробкой и разрыв потока мощности при недовключении заднего хода могут привести к поломке в газотурбинном двигателе, а резкое включение фрикционной муфты прямой передачи вызывает значительные динамические перегрузки в трансмиссии автобуса.
7. Невозможность торможения двигателем и частое притормаживание газотурбинного автобуса без прекращения подачи топлива ведут к повышенному износу его тормозов.
8. Замедленный выход газотурбинного двигателя ТурбоНАМИ-053 на режим наибольшей мощности ухудшает динамические качества автобуса, но и в этом случае разгон автобуса с газотурбинным двигателем примерно такой же, как и у автобуса с поршневым двигателем.

Фотографии

Общий альбом