Газотурбинные двигатели (ГТД). Тупиковая ветвь эволюции

Авиа- и автомобилестроение с самого начала своего появления и как минимум на протяжении первой половины XX века не просто развивались интенсивно и параллельно — постоянно обменивались друг с другом опытом, технологиями, узлами. Точнее, первое всегда что-то давало второму. Вспомним наддув, керамические изоляторы свечей, непосредственный впрыск топлива. Но в середине прошлого столетия, казалось, такому «сотрудничеству» пришел конец. Поршневые двигатели остались на бренной земле, а авиация взмыла в небо с помощью моторов нового типа — реактивных. К счастью, связь этих двух технических отраслей была настолько прочна, что автомобильные инженеры не преминули моментально воспользоваться наработками своих авиационных коллег — уже в 1950-м первый автомобиль примерил газовую турбину. О подобном симбиозе мы сегодня и поговорим.

Что такое газовая турбина? В первую очередь — более простой по сравнению с поршневым двигатель. Основная часть — вал (или валы) с компрессорным и турбинным колесами. Первое сжимает воздух и подает его в камеру сгорания, куда впрыскивается топливо. Расширяясь, горючая смесь вращает турбинное колесо. Часть энергии турбина отдает компрессору, остальная идет на осуществление движения — в виде реактивной струи (как на фото и видео ниже), привода винта, колеса, другого механизма.

Первые опыты

Безусловно, сейчас это намного более сложный агрегат, имеющий несколько валов с турбинами; теплообменники, регулирующие температуру воздуха; сопловые аппараты, трубопроводы, камеры сгорания. И все-таки в чистом виде это не ДВС с его сложным ГРМ и преобразованием поступательного движения во вращательное. Не зря как минимум теоретическое обоснование работы газовой или, вернее, паровой турбины было сделано еще в древности. А в XIX веке паровые агрегаты с таким принципом функционирования разработали сразу несколько инженеров. Тогда же проводили первые опыты с ГТД — с газотурбинными двигателями. Британец Чарльз Парсонс, уже отметившийся созданием паровых турбин, вращавших электрогенераторы, и паротурбинной установки для миноносца, сконструировал газовую турбину, которую предполагалось использовать на торпедах. Увы, простое устройство не прошло проверку температурой — газы в том двигателе разогревались до 600-700 градусов (сейчас до более чем 1500), и не было металлов, способных без последствий это выдержать.

Как известно, первые рабочие ГТД на самолетах появились еще до окончания Второй мировой. И уже тогда на них обратили внимание «наземные» конструкторы.

В ряд с обогнавшими свое время Me-262 и He-162 можно ставить «Пантеру». Проект оборудования танков ГТД стартовал в 1944-м — тяжелой германской бронетехнике остро не хватало мощности. К тому же считалось, что газовая турбина способна питаться разнообразным топливом не всегда высокого качества. «Пантеру» выбрали исходя из размеров ее моторного отделения, куда ГТД помещался по длине — в отличие, скажем, от «Тигра». Было несколько вариантов двигателя (кстати, не авиационного — оригинального) и три рабочих модификации мощностью от 800 до 1150 л.с. «Пантера» с ГТД отличалась от дизельной патрубком, расположенным в заднем бронелисте (фото реальных прототипов не сохранились). Поражение в войне положило конец этим разработкам, а вся документация досталась союзникам

Интересно, что на бронетехнике к ГТД вернулись только во второй половине 60-х.

Шведский танк Stridsvagn 103 (вернее, противотанковая самоходная артиллерийская установка) был первой боевой машиной, серийно оснащавшейся ГТД. Правда, газовая турбина мощностью 330 л.с. была вспомогательной — на случай выхода из строя основного 240-сильного оппозитного двухтактного дизеля

Зато, как говорилось выше, гражданские конструкторы обратили внимание на газовую турбину еще в 1950-м. Инженеры Kenworth вдруг решили — то, благодаря чему летают самолеты, заставит ползать автопоезда. Ну, как ползать? 175-сильная турбина Boeing позволяла поддерживать крейсерскую скорость на уровне дизеля. Правда, обеспечивала вялый разгон и просто жрала топливо. Если в устоявшихся (трассовых) режимах с его расходом еще можно было как-то мириться, то при разгоне и торможении да на холостых оборотах, то есть в городе-пригородах, аппетит вырастал за 200 литров на «сотню». Негатива добавлял громкий свист выхлопа и его температура — парковаться нужно было с умом, дабы не оплавить все то, что находилось на уровне второго-третьего этажей. Был ли позитив? Вес, размеры, отсутствие вибраций (для грузовиков некритично) и, например, системы охлаждения, характерной для поршневых моторов.

Многолитровый дизель весил больше тонны, а ГТД менее 100 кг — достаточная разница, чтобы возить на борту дополнительный запас топлива. Но в чем тогда выигрыш по массе? Да и невыгодно это экономически. Газотурбинный тягач эксплуатировался, катался по Америке, но вскоре проект тихо свернули

Будоражил, будоражил умы конструкторов легкий и мощный газотурбинный двигатель. Так, в том же 1950-м в Англии был построен прототип Rover JET1.

Rover JET1 стал первым легковым автомобилем, оснащенным ГТД. В качестве агрегатоносителя была выбрана модель P4 (правое фото). Турбина, сконструированная для него специально, располагалась сзади, отвод выхлопных газов вверх увеличивал прижимную силу на задней оси. На начальном этапе ГТД работал считанные минуты, после чего разваливались подшипники вала и оплавлялись лопатки колес — не было термостойких сплавов. И все же мотор довели до ума, он развивал 230 л.с. при 55 000 об/мин (на холостых было 7000 об/мин; для сравнения: турбина Kenworth крутилась чуть больше 22 000 об/мин) и потреблял 40-45 л/100 км, а в 1950-м и 52-м годах JET1 развил 144 и 245 км/ч соответственно

В 1954-м свой «турбинный» автомобиль появился у Fiat. На модели, так и называвшейся Turbina, использовался ГТД фирмы de Havilland, развивавший 300 л.с. С ним автомобиль разогнался до 250 км/ч и... отправился в музей. На рисунке хорошо видно, как был организован привод от двигателя к ведущим колесам. Тогда же опыты с газовой турбиной вели фирмы Citroen, Hotchkis, Laffly

В США с легковыми ГТД несколько отстали. Зато, наверстывая упущенное, создали сразу несколько поколений концепт-каров. Речь идет о GM и его газотурбинном Firebird.

Шеф-дизайнер GM Харли Эрл моду на авиационный стиль поддержал технически. В 1953-м появился первый газотурбинный Firebird (слева), а до 1958 года было выпущено еще два прототипа (в центре Firebird II, справа Firebird III). Турбины Allison развивали 380, 200 и 220 л.с. Максимум, показанный первым концептом, равнялся 370 км/ч. В машинах было много интересного. Особо отметим титановый кузов на Firebird II и двухцилиндровый поршневой моторчик на Firebird III, который питал второстепенные потребители энергии

В СССР к ГТД на наземном транспорте тоже пришли достаточно рано — развитие реактивной авиации тому способствовало. Причем для реализации проекта было выбрано нетрадиционное шасси — автобус.

С другой стороны, ничего необычного в этом не было. О серийном выпуске автобуса ЗиС-127 (именно его выбрали агрегатоносителем) речи не шло. Зато салон позволял разместить приборы, оборудование и испытателей. ГТД ТурбоНАМИ-053 разрабатывался специально для наземного транспорта и в плане мощности, безусловно, превосходил 180-сильный дизель ЯАЗ-206, развивая 350 л.с. Заявленный пробег с ГТД — 5000 км, при которых турбина продемонстрировала надежность и определяла неплохие динамические характеристики. О расходе говорится только то, что он был большим, зато называется «максималка» — 160 км/ч. Верится с трудом: способно ли было автобусное шасси на такие подвиги?

Второе дыхание

Никакой из описанных выше проектов 50-х годов не получил дальнейшего развития и тем более серийного продолжения. Однако газотурбинная тема не канула в Лету. За новый виток ее развития по большей части стали отвечать фирмы, ранее бывшие лишь наблюдателями. Хотя вот, например, Rover не стал останавливаться на достигнутом.

Слева направо и сверху вниз: Rover BRM с его рентгеном, красный STP Oil Treatment Special (хорошо видно, где установлена турбина), Howmet TX и Lotus 56B. С 1963 по 1971 годы в 24 часах Ле-Мана, заокеанских сериях и Формуле 1 участвовали болиды с ГТД. Последние развивали от 325 до 540 л.с. и лучше подходили для скоростных трасс с минимумом поворотов — таких как Инди-500. При этом надежность и ресурс были даже выше и больше, чем у поршневых моторов. Но в США ГТД в итоге запретили — на фоне традиционных моторов они выглядели слишком перспективными. А на изобилующих поворотами трассах Формулы 1 ГТД себя не проявили. Сказывалась инерционность турбины, определявшая задумчивость в разгоне

Что еще характерно — параллельно, начиная с тех же 50-х, газотурбинное направление упорно развивал еще один производитель — Chrysler. Другая принципиальная особенность — это были не спортивные проекты, а самые что ни на есть гражданские. По ним американский концерн обогнал «коллег», доведя свои разработки до конечного потребителя. Правда, в весьма оригинальной форме. Тут еще надо понимать, что на протяжении всей истории использования ГТД на автомобилях первостепенную роль в этом играли инженеры-энтузиасты. Колин Чепмен, Харли Эрл и т. д. — имена многих так и не стали общеизвестны. В Chrysler таким человеком стал Джордж Хюбнер. Нужно отметить, над газовой турбиной для авиации в концерне работали еще с 30-х годов, однако именно приход туда Хюбнера, ставшего главным инженером, определил тему — «ГТД+автомобиль» — и интенсивность работ.

Первый прототип с ГТД — Plymouth Belveder Turbine Special (слева) — появился у Chrysler в 1954-м. Турбина развивала 100 сил, не имела стартера (запускалась от внешнего компрессора), но прошла порядка 5000 км при среднем расходе 18 л/100 км. Второй прототип увидел свет в 1958-м (в центре). Belveder следующего поколения имел ГТД второй генерации, развивавший 200 сил при аппетите в 12-13 л/100 км. Справа — Dodge Turbo Dart 1961 года с третьим поколением ГТД мощностью 140 л.с. Седан также совершил трансконтинентальный пробег в 5000 км. Отмечалось, что его турбина гораздо быстрее выходила на рабочие обороты, а разгон происходил следующим образом: сначала медленное качение, потом крайне интенсивное ускорение. 96 км/ч Turbo Dart набирал менее чем за 9 секунд при максимальной скорости в 185 км/ч и расходе 14 л/100 км

Прототип Chrysler TurboFlite 1961 года. Именно на нем впервые установили ГТД третьего поколения. Под футуристической внешностью скрывалась переработанная техника — регулируемый сопловой аппарат, уменьшивший инерционность турбины

Иными словами, в Chrysler максимально довели конструкцию не только до рабочего состояния — до привычных по поршневым моторам потребительских качеств. Проводили и опросы потенциальных покупателей, которые продемонстрировали: к газотурбинным автомобилям американский обыватель благосклонен. Дело оставалось за малым — серия. К выпуску ее (первоначально предполагалось создать 50-75 экземпляров, но в итоге сделали 55 машин) подошли со всей масштабностью предшествующих работ над ГТД. Внешность создавали с нуля, выпуск температурно нагруженных деталей турбин заказали у компании Howmet, той самой, что участвовала в проекте создания гоночного Howmet TX. Наконец, производство кузовов отдали итальянскому ателье Ghia.

Первый прототип с названием Typhoon появился в 1962-м, в мае 1963-го начался мелкосерийный выпуск — уже под именем Chrysler Turbine Car. 5 предсерийных машин остались в компании, 50 раздали двумстам с лишним испытателям из среды обывателей, проживающим на всей территории США, каждому — на 3 месяца. Общий пробег составил без малого 1 800 000 км. «Народный тест» проходил на фоне агрессивной рекламной кампании — автомобили открывали гонки, снимались в фильмах, путешествовали по мировым выставкам, наконец, для краткого знакомства предлагались всем желающим

Так каковы же были оценки проекта, длившегося со второй половины 40-х до середины 60-х? ГТД уже 4-го поколения развивал 130 л.с. и весил вместе с понижающим редуктором (опускавшим обороты с 44 000 до 5000) менее 190 кг. У ГТД отсутствовали всякие вибрации, не было карбюратора (топливо впрыскивала форсунка) и необходимости в его регулировке, системы охлаждения. Благодаря двум теплообменникам температура выхлопа не превышала 260 градусов. При условии хорошей очистки воздуха, то есть сохранности лопаток компрессорного и турбинных колес, ГТД сохранял характеристики на все время эксплуатации. В конце концов, характерный «самолетный» свист по децибелам не превышал звук обычного двигателя, разве что был для кого-то слишком непривычным.

К сожалению, годы работ и щедрое финансирование не исправили принципиальные недуги газовой турбины. Отклик на газ при ускорении с холостых все-таки не был моментальным. Заявленной многотопливности ГТД (в теории могут питаться всеми видами жидкого топлива и даже измельченным углем) на деле не оказалось. Разработчики рекомендовали солярку, лучше керосин. Но ни в коем случае не бензин, который тогда был этилированным — из-за риска повреждения лопаток. Кроме того, напомним, что американские V8 еще десятилетие назад без труда перешагнули отметку в 200-300 «лошадей». А что такое 130 сил при почти 1800 кг массы?! Расход, особенно в городских режимах, потребителей впечатлял — в плохом смысле и с учетом того, что аппетит у «восьмерок» тогда тоже был немаленький. По углекислому газу ГТД в нормы вписывался, однако содержание окислов азота было очень высоким.

ГТД потребляет огромное количество воздуха. Что не принципиально для воздушной техники, но жизненно важно для наземной. Говорим об очистке воздуха. Взгляните на объем воздушных фильтров Turbine Car — занимают места едва ли не больше, чем сама турбина

Были разрушения турбин, хотя и единичные. Вряд ли это стало поводом для свертывания программы. Просто пока Хюбнер реализовывал свою идею, окружающий мир несколько изменился. На подходе были жесткие эконормы, топливный кризис, а, главное, Chrysler требовалось вложиться в дорогое литейное производство деталей к ГТД, на что у компании не было средств. Хюбнер еще продолжал работы, даже создал газовые турбины 5-го и 6-го поколений. Но в 1971-м признал: — на данный момент приблизить ГТД по сумме качеств к поршневым моторам не удастся. До 1979-го оставшиеся в Chrysler специалисты создали 7-е поколение, где высокотемпературные сплавы отчасти заменяла керамика.

Недолгое время экспериментировал с ГТД Ford — в 1959-м 300-сильная турбина была установлена под капот Thunderbird. На этом легковая газотурбинная программа фирмы закончилась

Тяжелая тема

Кажется, что в 60-е американские производители не особо отслеживали опыт конкурентов. Не процветал промышленный шпионаж? Либо желание приобщиться к авиатехнологиям было очень заманчивым. Так или иначе, но в 1964-65 гг. появились сразу три грузовых прототипа, оснащенных ГТД.

Газовая турбина Ford Big Red (слева) развивала 600 сил, а сам автопоезд, состоявший из тягача и двух трейлеров, имел массу в 77 тонн. Характерной особенностью Chevrolet Bison (в центре) была двухосная тележка с передним приводом. Две турбины в 300 и 700 л.с. располагались в обтекаемом модуле позади кабины. Chevrolet Turbo Titan III, появившийся на год позже (в 1965-м), имел ГТД мощностью 280 сил. Ни один из этих грузовиков даже приблизительно не стал прообразом для серийной модели. То же самое можно сказать и о концептах GMC с Freightliner

С ГТД рождались и такие фантастические проекты, как этот Overland Train — сухопутный поезд, построенный фирмой LeTourneau в 1962-м для использования американскими военными в условиях Аляски. Он имел массу за 120 тонн и длину 174 м. Два моторных прицепа несли по паре 870-сильных газотурбинных двигателей, питавших генераторы, которые отдавали ток каждому из 54 мотор-колес. Питались турбины от отдельного входящего в состав автопоезда прицепа, выделенного под перевозку топлива

Вот в СССР обо всех перипетиях зарубежной эксплуатации ГТД вряд ли знали. Хотя в журнале «За рулем» была как минимум одна заметка — о турбине Ford. Причем заметка больше восторженная — дескать, в чем-то схож с поршневым, но во многом его превосходит, в частности, расход топлива меньше. Для отечественной прессы так хвалить достижения капиталистического запада нетипично, так ведь как раз в это время в Союзе испытывался автобус с ГТД. Ждать продолжения этой темы пришлось 10 лет...

Непонятно, выпускался ли БелАЗ-549В 1969 года серийно (слева). Известно только его техническое устройство. Турбина мощностью 1200 л.с. не вращала колеса — приводила генератор, вырабатывавший ток для мотор-колес. С 1956-го в Горьком велись работы по проектированию своего ГТД, в результате чего к середине 60-х был создан 250-сильный ГАЗ-99. На протяжении 70-х с ним уже в 350-380-сильной модификации экспериментировали на КрАЗе и МАЗе. В первом случае построили седельный тягач, во втором — армейский вездеход, на чем натурные опыты с такой техникой завершились. Правда, позже в Минске турбину имплантировали в шестиосный МАЗ-547Э (в центре) и в 12-осный МАЗ-7907 (справа). На последнем боевой массой 200 тонн, предназначавшемся для транспортировки стратегического ракетного комплекса «Целина-2», использовался танковый мотор ГТД-1250 и мотор-колеса (все 24). Вот именно на нем применение газовой турбины и такой схемы трансмиссии, очевидно, было логичным — дизеля с подобной мощностью в 80-е еще не существовало

Европа: а мы сумеем!

Еще раз отметим: кажется, что каждый производитель, бравшийся за ГТД, начинал работу над ним с чистого листа, без учета опыта, накопленного другими компаниями. И если уж американские коллеги-конкуренты наступали на одни и те же грабли, то что говорить о европейских фирмах? В 60-80-е заменить дизель турбиной на грузовиках пытались Leyland и MAN. Само собой, дальше опытных образцов дело не пошло.

В 1981 году VW испытывал турбину (видимо, собственной разработки), установленную в NSU Ro 80. Двигатель развивал около 150 сил, средний расход топлива составлял 12,6 л/100 км. В том же году Mercedes-Benz создал прототип Auto 2000 (на фото) с тремя перспективными моторами — бензиновым V8, дизельным V6 и ГТД. Последний проектировался в Штутгарте и по характеристикам напоминал мотор VW. Наверное, лишне говорить, что все это не пошло дальше опытных образцов

Итоги

А как же газовые турбины на танках? Они применялись на Т-80, выпускавшемся на Омском и Харьковском заводах, и на «Абрамсе». Существует информация, что с ГТД испытывался также «Леопард-2», а у французского «Леклерка» газовая турбина работает в качестве агрегата наддува, дополнительно вращая генератор. Т-80 уже не выпускается, украинские же его модификации оснащаются дизелями. В России этот танк остался на вооружении, однако во всяких шоу (учения, биатлон и пр.), похоже, не используется, по крайней мере, не упоминается. Так что «Абрамс» до сих пор основная активно эксплуатируемая боевая (и не только) машина с ГТД. И опыт использования газовой турбины (причем и по Т-80) имеется — негативный! При огромном расходе турбиной воздуха отмечалась необходимость частой чистки или замены фильтрующих элементов. Сами они большие по объему, что нивелирует компактность ГТД в сравнении с дизелем. У Т-80 было замечено забивание патрубков воздушных фильтров обледеневшим снегом вплоть до значительного снижения мощности. Бортовой запас топлива у него же почти на 450 литров больше, чем на Т-72. Низкотемпературные пуски ГТД и дизеля не выявили преимуществ первого (впрочем, как и последнего). А из того, что не касается гражданских транспортных средств — высокая температура выхлопных газов, увеличивающая риск попадания в танк ракет с тепловым принципом наведения.

Представьте себе, продувка в аэродинамической трубе (или в водяной среде) характерна и для танков, точнее, для их моделей. Дело, конечно, не в коэффициенте Cх, а в том, как воздух (пылевое облако, поднятое гусеницами) обтекает воздухозаборники, расположенные позади башни. Считается, во всяком случае, в отечественных источниках, что у Т-80 (справа) последние расположены оптимальнее, чем у «Абрамса» (слева). Кстати, известно, что ГТД «американца» выходил из строя от спекания частичек пыли на его лопатках

Словом, и в этой среде газотурбинному двигателю был вынесен приговор. Какие у него дальнейшие перспективы? Спорт? Но ведь он — это реклама. А реклама, как известно, двигатель торговли. Кроме того, гоночные технологии рано или поздно спускаются со спортивных «небес» на конвейеры. И пусть те моторы, что используются на формулах или раллийных болидах сейчас, очень далеки от гражданских агрегатов — газотурбинные двигатели от них еще дальше. Причем, похоже, безо всякой перспективы когда-нибудь получить серийный статус. Тогда что рекламировать?

Прототип 2010 года — Jaguar C-X75. В нем две газовых турбины по 34 кг каждая вращают генераторы, вырабатывающие энергию для электромоторов (по разным данным, двух или четырех — мотор-колеса). Пожалуй, такое использование ГТД более рационально, поскольку он работает в устоявшихся режимах (без переходных), на которых может быть экономичен. Но сколько уже было прототипов...

Пока использование газовых турбин в составе гибридных силовых установок под вопросом. Все-таки ГТД, который в чем-то сложнее, в чем-то проще поршневого мотора, требует иных технологий производства, фактически иных производств. Если и будет появляться, то на каких-то эксклюзивных, имиджевых моделях. Но совершенно очевидно, что в том виде, в каком турбины использовались с середины прошлого века, мы их вряд ли увидим. Удел ГТД сейчас — различные шоу-кары и автомобили-рекордсмены. Их фото ниже.