Silnik GM Whirlfire

Whirlfire
Cutaway z Detroit Diesel Allison GMT-305 skomercjalizowana pochodna silnika z turbiną gazową GT-305 Whirlfire
,
Producent	General Motors Research / Detroit Diesel Allison
Produkcja	1953–83
Układ
Stopień sprężania	jednostopniowy, obrotowy
Spalanie
Zasada działania	turbował z wolną turbiną

Silniki z turbiną gazową GM Whirlfire zostały opracowane w latach pięćdziesiątych XX wieku przez dział badawczy General Motors Corporation i montowane w pojazdach koncepcyjnych, w tym w samochodach koncepcyjnych Firebird , autobusach Turbo-Cruiser i ciężarówkach Turbo-Titan do lat sześćdziesiątych. Są to wolnoturbinowe maszyny turbowałowe z dwoma wirnikami: jednym turbowałem sprężarki/gazogeneratora i jednym turbowałem mocy/wyjściowym, które mają wspólną oś bez mechanicznego sprzężenia między nimi. Zużycie paliwa pierwszej generacji GT-300 było wysokie w porównaniu z silnikami tłokowymi, więc do GT-304 drugiej generacji dodano termiczne regeneratory kół , zmniejszając zużycie o około 1 ⁄ 2 .

GT-305 trzeciej generacji , dział Allison Engine przejął odpowiedzialność za komercjalizację technologii turbin gazowych. Oddział ten, później połączony z Detroit Diesel i przemianowany na Detroit Diesel Allison, miał wyprodukować około stu ostatecznych silników GT-404 , które zawierały elementy ceramiczne. Koszt, napędzany egzotycznymi stopami i materiałami turbin, oraz zużycie paliwa okazały się nierozwiązywalnymi problemami w porównaniu z konwencjonalnymi silnikami tłokowymi, a dalszy rozwój silników z turbiną gazową w General Motors został przerwany na początku lat 80.

Projekt

Ponieważ silniki Whirlfire są maszynami z wolną turbiną, maksymalny moment obrotowy jest rozwijany, gdy wał wyjściowy jest zablokowany (nie obraca się) i jest w przybliżeniu dwukrotnie większy od momentu obrotowego rozwijanego przy pełnej mocy wyjściowej. Ponadto najniższe zużycie paliwa osiągane jest przy pełnej mocy.

Ścieżka gazowa

GT/GMT-305 trzeciej generacji wlot powietrza jest umieszczony osiowo z wałami turbosprężarki, które mają wspólną oś poziomą. Jednostopniowa sprężarka rotacyjna zasysa powietrze atmosferyczne przez wlot i wyrzuca sprężone powietrze promieniowo do bocznych przedziałów, gdzie obracające się bębnowe regeneratory podgrzewają sprężone powietrze za pomocą ciepła pobranego ze spalin. Sprężone powietrze kierowane jest przez komory spalania, gdzie jest mieszane z paliwem i spalane, a powstające gazy spalinowe są rozprężane najpierw przez znajdującą się na tym samym wale turbinę zgazowującą, służącą do napędzania sprężarki rotacyjnej, a następnie przez turbina, która znajduje się na wale wyjściowym.

Na wlocie turbiny gazyfikatora temperatura projektowa wynosi 1650 ° F (900 ° C). W przypadku GMT-305 prędkość obrotowa wału gazyfikatora/sprężarki wynosi 33 000 obr./min, podczas gdy wał napędowy obraca się z prędkością 24 000 obr./min przy pełnej mocy; prędkość wału napędowego została zmniejszona do 3500 obr./min dzięki przekładni redukcyjnej na wyjściu, aby zapewnić kompatybilność z częściami samochodowymi. Gubernator umożliwia obrót wału wyjściowego do 4500 obr./min. Wał pomocniczy jest napędzany z wału generatora gazu/sprężarki dla urządzeń pomocniczych silnika, w tym przekładniowej pompy oleju smarowego.

Regeneracja

Początkowo opracowane pierwsze silniki ( GT-300 i 302 ) nie posiadały regeneratora, ale stwierdzono, że dodanie regeneracji w celu odzyskania ciepła ze spalin zmniejszyło zużycie paliwa o 1 ⁄ 2 w GT-304 drugiej generacji , więc późniejsze generacje silników z turbiną gazową GM Whirlfire zawierały regenerator.

W przypadku GT/GMT-305 dwa regeneratory bębnowe są umieszczone po obu stronach wałów turbosprężarki w dużych przedziałach; regeneratory obracają się z prędkością około 30 obr./min. W każdym przedziale bocznym pionowa przegroda dzieli regeneratory na część wylotową niskociśnieniową (zajmującą około 2 ⁄ 3 regeneratora) i wlotową wysokociśnieniową (pozostałe 1 ⁄ 3 ). Gdy regenerator obraca się w sekcji wydechowej, odbiera ciepło odpadowe ze spalin, a następnie obracając się dalej w sekcji wlotowej, ciepło jest przekazywane do sprężonego powietrza, podgrzewając je przed dodaniem paliwa do komór spalania.

Oprócz poprawy sprawności termodynamicznej regeneratory służą do tłumienia hałasu i ciepła silnika, obniżając temperaturę spalin. Sekcja wydechowa pracuje przy niższym ciśnieniu niż sekcja wlotowa, dlatego uszczelnienie regeneratora jest ważne, aby zminimalizować straty sprężonego powietrza pod wysokim ciśnieniem.

Hamowanie silnikiem

W konwencjonalnym silniku tłokowym hamowanie silnikiem może być użyte do spowolnienia pojazdu bez użycia hamulców ciernych; ponieważ turbina napędowa nie jest mechanicznie połączona ze sprężarką w silniku turbowałowym z wolną turbiną, nie można osiągnąć podobnego efektu. Podczas opracowywania Whirlfire GM odkrył, że turbina zgazowująca może generować więcej mocy niż było to wymagane do obsługi sprężarki, więc w przypadku GT-309 piątej generacji (1964) GM i Allison połączyli generator gazowy i turbowały napędowe za pomocą sprzęgła aby wydobyć część tej nadwyżki mocy. Powstały system, który Allison nazwał Power Transfer , dał GT-309 efekt hamowania silnikiem i poprawił oszczędność paliwa przy częściowym obciążeniu.

Paliwo

Jako silniki spalinowe , turbiny gazowe GM Whirlfire były zdolne do spalania szerokiej gamy paliw; na przykład silniki turbinowe spalające pył węglowy zostały zamontowane w Cadillacu Eldorado i Oldsmobile Delta 88 na początku lat 80. w odpowiedzi na kryzys naftowy z 1979 roku . Inne potencjalne źródła paliwa obejmowały metanol , etanol , płynny węgiel i olej łupkowy .

modele

Specyfikacje turbiny gazowej Whirlfire

Silnik	Wyjście		Prędkość turbowałowa (obr./min)		BSFC (lb/KM·h)	Waga	Aplikacje	Uwagi i odniesienia.
	Moc	Moment obrotowy	gazyfikator	Moc
GT-300	325 KM (242 kW)		26 000	13 000	1,63	775 funtów (352 kg)	Turbokrążownik I	Bez regeneratora
GT-302	370 KM (280 kW)		26 000	13 000	1,63	775 funtów (352 kg)	Firebird I	Dwupalnikowa wersja GT-300
GT-304	200 KM (150 kW)		35 000	28 000	0,77	850 funtów (390 kg)	Firebird II, Turbo-Titan I	Najpierw wyposażony w regenerator poprawiający zużycie paliwa
GT-305	225 KM (168 kW)		33 000	27 000	0,55	600–650 funtów (270–290 kg)	Firebird III, Turbo-Titan II	Komercjalizowany przez Detroit Diesel Allison Division jako GMT-305
GT-309	280 KM (210 kW)	875 funtów⋅ft (1186 N⋅m)	35700	35 000	0,45	950 funtów (430 kg)	Turbo-Titan III, Turbo-Cruiser II/III, RTX, RTS 3T	System „Power Transfer” umożliwia hamowanie silnikiem
GT-404	325 KM (242 kW)	595 funtów⋅ft (807 N⋅m)	37103	30830	0,475	1700 funtów (770 kg)	GMC Astro , MCI MC-8, RTS (prototypy)

GT-300/302

Firebird I / XP-21 jest napędzany przez GT-302

Pierwszy silnik, noszący wewnętrzne oznaczenie GT-300 (1953), nie posiadał regeneratora. GT -300 miał moc wyjściową 370 KM (280 kW), gdy turbina generatora gazu (sprężarki) obracała się z prędkością 26 000 obr./min, a turbina swobodna (moc) obracała się z prędkością 13 000 obr./min. Masa całego zespołu silnikowego wynosiła 775 funtów (352 kg). GT -300 był montowany w autobusie tranzytowym „Old Look”, który nosił nazwę „Turbo-Cruiser” . Aby zmniejszyć całkowity rozmiar, pojedynczy duży palnik został zastąpiony dwoma mniejszymi palnikami, a silnik został przemianowany na GT-302 , który był montowany w Firebird I (XP-21).

GT -300 został zaprojektowany ze stopniem sprężania 3,5: 1 i nominalnymi projektowymi prędkościami turbowałowymi 24 000 obr./min (gazogenerator) i 12 000 obr./min (moc). Osprzęt silnika jest napędzany przez wał turbosprężarki zgazowującej za pośrednictwem prostopadłej przekładni stożkowej ; konwencjonalny rozrusznik samochodowy służy do obracania wału napędowego akcesoriów (i turbowału generatora gazu). Nowy stop na bazie niklu, oznaczony jako GMR-235, został opracowany i opatentowany dla łopatek turbiny w Whirlfire .

Zewnętrznie Turbo-Cruiser różnił się od autobusów napędzanych tłokami napisami „turbocruiser” po bokach, zaślepionymi tylnymi szybami i dużym centralnym kominem wydechowym na dachu. Najbardziej wysunięte do tyłu siedzenia zostały zastąpione „kompletnym mobilnym laboratorium z dużym [tyłem do kierunku jazdy] panelem oprzyrządowania” dla dwóch inżynierów. Doświadczenie operacyjne z Turbo-Cruiserem pokazało mechaniczną trwałość silnika; według WA Turunena „kilkakrotnie przez maszynę przechodziły elementy oprzyrządowania. Łyżki turbin były wygięte, ale w żadnym przypadku nie uległy awarii nawet po kolejnym uruchomieniu uszkodzonych części”. Podczas testów autobus przejechał 9 000 mil (14 000 km).

jednostkowe zużycie paliwa (BSFC), które przy 1,63 funta/KM·h było znacznie większe niż w porównywalnym silniku wysokoprężnym Detroit Diesel 8V71 (około 0,40 funta/KM·h), mimo że turbina miała 1500 funt (680 kg) lżejszy. Inne planowane ulepszenia dotyczyłyby opóźnienia przepustnicy, które było spowodowane przyspieszeniem turbiny generatora gazu do prędkości maksymalnej oraz brakiem hamowania silnikiem.

GT-304

GT-304 (1956) była pierwszą turbiną gazową GM zawierającą regenerator, który wykorzystywał ciepło spalin do ogrzania powietrza wlotowego, zmniejszając zużycie paliwa do 0,77 funta/KM·h. W wersji wyposażonej w Firebird II, GT-304 wynosiła 200 KM (150 kW) przy prędkości turbiny gazyfikatora 35 000 obr./min. Turbina generatora gazu pracowała na biegu jałowym z prędkością 15 000 obr./min, a turbina napędowa pracowała z prędkością do 28 000 obr./min. Całkowity stopień sprężania w stopniu generatora gazu wynosił 3,5:1. Temperatura na wlocie do turbiny została zwiększona do 1650 ° F (900 ° C) z 1500 ° F (820 ° C); po tym, jak GM Research ponownie oceniło odporność na temperaturę nadstopu GMR-235. Dzięki regeneratorom masa silnika wzrosła do 850 funtów (390 kg); każdy regenerator ważył 150 funtów (68 kg). Przekładnia redukcyjna 7,27:1 sprawiła, że ​​prędkość wału wyjściowego była zgodna z konwencjonalnymi akcesoriami samochodowymi. Między silnikiem a skrzynią biegów zastosowano sprzęgło wejściowe płynu; ponadto większe akcesoria były zasilane z przekładni, a nie z turbowałowego generatora gazu, ponieważ odkryto, że na biegu jałowym pobór mocy przez akcesoria może przekraczać dostępną nadwyżkę mocy.

GT -304 został również zamontowany w pierwszym Turbo-Titan , ciężkim ciągniku siodłowym Chevrolet Model 10413 z tandemowymi tylnymi osiami; Turbo-Titan był testowany przy różnych obciążeniach, wykazując lepsze przyspieszenie i zdolność pokonywania wzniesień w porównaniu z usuniętym silnikiem Loadmaster V-8 , górnozaworowym zaworem V-8 o pojemności 322 cu in (5,3 l) i mocy wyjściowej 195 KM (145 kW).

GT-305

GT -305 (1958) zamontowany w Firebird III miał moc wyjściową 225 KM (168 kW) (przy prędkości turbiny 33 000 obr./min gazyfikatora / 27 000 obr./min) i ważył 600–650 funtów (270–290 kg). Dzięki regeneratorowi i dodatkowym udoskonalonym komponentom, GT-305 osiągnął specyficzne zużycie paliwa na poziomie 0,55 funta/KM·h, co stanowi poprawę o 25% w porównaniu z wcześniejszym GT-304 ; podobnie masa silnika GT-305 została zmniejszona o 25% w porównaniu z 304 . Wymiary zewnętrzne wynosiły 37 cali (940 mm) długości, 27,8 cala (710 mm) wysokości i 26 cali (660 mm) szerokości. Temperatura spalin została znacznie obniżona; GT -305 wynosiła 520 ° F (271 ° C) przy pełnej mocy, spadając do 275 ° F (135 ° C) na biegu jałowym.

Firebird III miał dwucylindrowy pomocniczy zespół napędowy do akcesoriów i specjalny zwalniacz do symulacji hamowania silnikiem, co Jan Norbye skrytykował jako wynikające z „odmowy ekspertów od turbiny rozwiązania problemów u podstawy… te dwa systemy wydają się wątpliwej wartości, z wyjątkiem zastosowania, w którym koszt nie jest przedmiotem”.

Silnik został przemianowany na GMT-305 w 1959 roku, a dalszy rozwój do regularnej produkcji został przekazany z GM Research do Allison Transmission . Jako GMT-305 zawierał około 30 funtów (14 kg) niklu w stopach, w tym łopatki turbiny (GMR-235), koła turbiny (16-25-6), wały turbosprężarki ( 4340 ), śruby turbiny ( Inconel X ), obudowy turbin i grodzi (SAE 60347) oraz komory spalania ( Hastelloy X). Pierwsze GMT-305 zaczęły być wysyłane w listopadzie 1959 roku w celu zamontowania w amerykańskich pojazdach wojskowych, w tym M56 Scorpion i 28-stopowej łodzi personelu. M56 napędzany silnikiem Whirlfire przeszedł testy w warunkach zimowych i bez większych problemów przejechał 1000 mil (1600 km). Ponadto GMT-305 został zamontowany na ciężarówce do przewozu rudy w odkrywkowej kopalni niklu w Sudbury w Ontario .

GT-309

GT-307 , proponowany następca GT-305 , został zaprojektowany w 1960 roku, ale nigdy nie został zbudowany. Zamiast tego GM odszedł od samochodów osobowych z GT-309 (1964), który został zaprojektowany do ciężkich zastosowań, o czym świadczy jego zastosowanie w ciężarówce Chevrolet Turbo Titan III i autobusach Turbo-Cruiser II / III ; w przypadku tego zaktualizowanego silnika turbina generatora gazu i sprężarka zostały zaprojektowane do pracy z prędkością 35 700 obr./min, generując 280 KM (210 kW) przy prędkości wału napędowego 35 000 obr./min (z przekładnią redukcyjną, 4000 obr./min). Moment utknięcia wynosił 875 lb⋅ft (1186 N⋅m) na biegu jałowym. Ponadto GT-309 był montowany w konwencjonalnym ciągniku typu cabover GMC Astro -95 i prototypie autobusu tranzytowego RTX z 1969 roku.

W porównaniu z wcześniejszymi silnikami temperatura na wlocie do turbiny została ponownie zwiększona do 1700 ° F (930 ° C). Wał generatora gazu (sprężarki) pracował na biegu jałowym przy 15 000 obr./min, a BSFC wynosiło 0,45 funta/KM·h. Do połączenia części turbiny gazyfikatora z wałem wyjściowym zastosowano system „przeniesienia mocy”; przy tym włączonym hamowanie silnikiem było dostępne ze skutecznością dwa do trzech razy większą niż w przypadku silnika tłokowego. Silnik wykorzystywał regenerator z pojedynczym obrotowym bębnem, przeniesiony na górę silnika za pomocą pojedynczej komory spalania. Dzięki tej rekonfiguracji GT-309 mierzył 36 cali (910 mm) długości, 30 cali (760 mm) szerokości i 35,5 cala (900 mm) wysokości, zużywając powietrze z szybkością 4 funtów / s (110 kg / min) z współczynnik kompresji 3,9:1. Za każdym razem, gdy skrzynia biegów była na biegu, silnik pracował na biegu jałowym z prędkością 19 300 obr./min (turbowałowy generator gazu) i był w stanie przyspieszyć do 32 130 obr./min w 2,7 sekundy, aby zwalczyć opóźnienie przepustnicy. Pojedynczy regenerator podgrzał sprężone powietrze z 400 do 1100 ° F (204 do 593 ° C), co skutkowało temperaturą spalin poniżej 500 ° F (260 ° C).

W przeciwieństwie do GT-305 , komercyjnym rozwojem GT-309 zajął się zamiast tego Detroit Diesel . Jednak Detroit Diesel i Allison zostały połączone w 1970 r., W wyniku czego oddział Detroit Diesel Allison firmy General Motors Corporation (DDAD), ponownie zjednoczył rozwój turbin gazowych do pojazdów drogowych w GM.

GT-404/505/606

GT-404 , widok rozstrzelony

Ostateczną ewolucją silnika z turbiną gazową GM był GT-404 , który został opracowany przez DDAD i porzucił markę Whirlfire . Moc wyjściowa GT-404 wynosiła 325 KM (242 kW) przy prędkości generatora gazu / turbiny napędowej 37103/30830 obr./min, z momentem obrotowym przeciągnięcia 595 lb⋅ft (807 N⋅m) i BSFC 0,475 funta / KM·h. W porównaniu do poprzedniego GT-309 , 404 powrócił do regeneratorów montowanych z dwóch stron, chociaż 404 używał raczej dysków niż bębnów. 404 był znacznie większy i cięższy niż poprzedni 309 , miał 47 cali × 28 cali × 39 cali (1190 mm × 710 mm × 990 mm) (szer. × dł. × wys.) i 1700 funtów (770 kg) . Specjalna wersja wytrzymałej automatycznej skrzyni biegów Allison Transmission HT-740 miała współpracować z GT-404 , w której pominięto przemiennik momentu obrotowego i zaoszczędzono trochę miejsca.

Pierwsze silniki GT-404 zostały wysłane z fabryki Detroit Diesel Allison w Indianapolis do Detroit i Portland w stanie Oregon w 1971 roku w celu zainstalowania ich w prototypowych ciągnikach drogowych. Ponadto służył w zespole prądotwórczym jednostki ogniowej pocisków rakietowych ziemia-powietrze MIM-104 Patriot . Cena katalogowa pierwszych wersji, wynosząca 9 000 USD (równowartość 50 000 USD w 2021 r.), Podobno „ledwie wystarczała na pokrycie kosztów produkcji” i nie była konkurencyjna w stosunku do konwencjonalnych silników wysokoprężnych. Rozpoczęcie produkcji seryjnej zaplanowano na 1972 r., a GT-505 i 606 na 1973 r., ze zwiększoną mocą 400–450 KM (300–340 kW) ( 505 ) i 550 KM (410 kW) ( 606 ). . Ograniczone doświadczenie w terenie z 404 uzyskano w latach 1974-1977, w tym w autobusach MC-7 Super 7 Turbocruiser dla Greyhound. Późniejsze wersje 404 wykorzystywały zaawansowane materiały, w tym regeneratory dysków ceramicznych z krzemianu glinu .

Prototyp kandydata na GM RTS-3T (1972) testowany w ramach programu Transbus również wykorzystywał GT-404 . Pod koniec lat siedemdziesiątych Departamenty Energii i Transportu Stanów Zjednoczonych wspólnie przeprowadziły program demonstracyjny autobusów tranzytowych z turbiną gazową, wykorzystując turbinę gazową DDA GT-404 zarówno w autobusach tranzytowych , jak i autokarach autostradowych . Na potrzeby tego programu zbudowano 11 silników GT-404-4 ; ta wersja miała znamionową moc wyjściową 300 KM (220 kW) przy temperaturze na wlocie do turbiny 1875 ° F (1024 ° C); testowana moc silnika w momencie dostawy wahała się od 282,8–304,3 KM (210,9–226,9 kW), przy BSFC od 0,428 do 0,447 funta / KM·h. W ramach programu demonstracyjnego cztery RTS-II (T8H-603) z napędem GT-404 i cztery autokary MCI MC-8 Americruiser zostały wprowadzone do służby odpowiednio dla MTA (w Baltimore, Maryland ) i Greyhound Lines . MTA zakończyło swój test w lipcu 1981 r., Po trzech miesiącach służby skarbowej; do czasu zakończenia badania w 1983 r. znajdowało się ono pod auspicjami NASA .

Ponieważ GM odmówił konwersji autobusów RTS-II w celu dostosowania ich do silników turbinowych, zlecono wytwórcy ich instalację na zamówienie; silniki GT-404-4 zostały zbudowane ręcznie po koszcie jednostkowym 250 000 USD (równowartość 1 040 000 USD w 2021 r.). Zewnętrznie zmodyfikowane autobusy turbinowe RTS-II dla MTA wymagały pudełkowatej osłony z tyłu autobusu, aby pomieścić przeniesiony skraplacz klimatyzacji, zmieniając profil ze skośnego tylnego końca na bardziej pudełkowaty. Silniki turbinowe zostały zainstalowane we flocie Greyhound MC-8 o numerach 5991 (silnik T6), 5992 (T5, później T8), 5993 (T7) i 5994 (T5, później T9); oraz numery flot MTA RTS-II 3318 (T11), 3319 (T11, później T14), 3320 (T14, później T13) i 3321 (T13, później T15 i T12). Silnik T10 został rozebrany na części przed zainstalowaniem w autobusie. Ponad 170 610 mil (274 570 km) usług z Greyhound, cztery autobusy MC-8 miały średnio 4,26 mpg-US ₍ 55,2 l / 100 km), mniej wydajne niż autokary rówieśników z silnikiem wysokoprężnym z silnikiem tłokowym, które osiągnęły 5,66 mpg _-US (41,6 l /100 km) średnio. Podobnie, na ponad 19 660 mil (31 640 km) usług generujących przychody z MTA, cztery autobusy RTS-II zużywały średnio 2,7 mpg-US ₍ 87 l/100 km), zużywając więcej niż równorzędne autobusy tranzytowe, które średnio 4,3 mpg _-US (55 l /100 km) na podobnych trasach.

Zobacz też

• Silniki turbinowe Chryslera , prototypowe silniki współczesne o porównywalnym poziomie rozwoju

Linki zewnętrzne

• US 2972230 , Conklin, Emmett D.; Flanigan, Eugene E. & Ricketts, James M. et al., „Samochodowa turbina gazowa”, wydane 21 lutego 1961 r., Przypisane do General Motors Co.  
• US 3027717 , Conklin, Emmett D.; Flanigan, Eugene E. & Ricketts, James M. et al., „Turbina gazowa”, wydane 3 kwietnia 1962 r., Przypisane do General Motors Co.  
• US 3077074 , Collman, John S.; Ricketts, James M. & Turunen, William A., „Regeneracyjna turbina gazowa”, wydana 12 lutego 1963 r., Przydzielona General Motors Co.  
• US 3116605 , Amann, Charles A.; Collman, John S. & Haushalter, Roger W. et al., „Regeneracyjna turbina gazowa”, wydane 7 stycznia 1964 r., Przypisane do General Motors Co.