A gázturbina szerepe személygépkocsikban

Az autóiparban, ahogy minden más műszaki területen, léteznek általánosan elfogadott, hagyománnyal bíró, évtizedeken vagy évszázadokon át alkalmazott technológia, és léteznek olyan megoldások is, melyek nem váltak be igazán, kevésbé ismertek, ám technikai szempontból mindenképp érdekességnek, kuriózumnak számítanak.

Ez utóbbiak közé tartozik a gázturbina is. Ez az eszköz számos más iparágban megállta a helyét, ám a közúti közlekedésben nem tudott érdemben elterjedni. Ez azonban nem jelenti azt, hogy soha nem próbálkoztak az ötlet kivitelezésével.

Definíció

Hasonlóképp, mint a belső égésű motorokat, a gázturbinát is a hőerőgépek csoportjába soroljuk. A lényeg változatlan: üzemanyagot juttatunk be egy nyitott vagy zárt térbe, ahol oxigén segítségével elégetjük, és az égés energiáját hasznosítjuk.

Eddig akár egy Otto-motor is lehetne, vannak azonban lényeges különbségek.

Az egyik ilyen, hogy a gázturbina nem szakaszos, egyértelműen elválasztható, periodikusan ismétlődő ütemek szerint dolgozik, hanem a levegő és az üzemanyag beáramlása is folyamatos. Nem mellékesen ezeknek az egységeknek kirívóan magas a légszomja, ezért a kompresszorkerekek hatalmas nyomással tolják az égésterekbe a levegőt.

Jöhetne a kérdés, hogy hogyan hasznosítjuk ezt az égést. A gázturbina egy gyűjtőnév, a kialakítás módja szerint többféle alfaja létezik.

A valószínűleg legismertebb ilyen alfaj a sugárhajtómű. Akkor hívjuk így a gázturbinát, ha az égés során fellépő reakcióerőt hasznosítjuk a folyamat végén. Tehát az égés során létrejövő hatalmas térfogatnövekedés, amely távozni kíván a hajtómű végén hátrafelé, előre fogja mozdítani a járművet. A sugárhajtóműveket időlegesen túl lehet hajtani, ha utánégetővel is ellátják. Nagyon leegyszerűsítve ez egy utólagos üzemanyagtöbbletet adó kamra, amivel átlagosan 45-50%-nyi plusz teljesítmény nyerhető.

Azonban nem csak a reakcióerőből állíthatunk elő mozgást egy gázturbina segítségével. Lehetőségünk van mechanikus hajtásrendszer létrehozására is. Elég, ha csak az erőművekben használatos turbinákra gondolunk, melyek többnyire generátorokat hajtanak meg, áttételes vagy direkt mechanikus tengelykapcsolattal (teljes nevén: tengelyteljesítményt szolgáltató gázturbina). Sőt, találhatunk példát légcsavaros gázturbinára is; ez utóbbi esetekben a forgómozgás szintén az elégetett üzemanyag útjába telepített ventilátor-lapátokkal valósítható meg.

Történeti áttekintés

A gázturbinák elvének első leírásának időpontja, valamint annak szerzője jelenleg ismeretlen számunkra. Az első ide vonatkozó szabadalmat John Barber kapta meg 1791-ben. Több mint száz évvel később, 1897-ben alkotta meg P. D Kusminski orosz mérnök az első működőképes gázturbinát, mely rövid idő alatt tönkrement.

A XX. század első felében nem találtak olyan alkalmazást, amiért érdemes lett volna belefogni a fejlesztésébe. Kísérleti jelleggel, energiatermelési céllal létesítettek néhányat Európában, ám az igazi áttörést a II. világháború hajtóműfejlesztései hozták meg.

1939-re Németországnak már működő sugárhajtóműves repülőgépe volt, a háború végére pedig szinte minden nagyobb hadviselő rendelkezett vele. A kezdetben mindennek gátat szabó hőállósági problémákat az egyre jobb anyagminőséggel sikerült kiküszöbölni, így kinyíltak az ajtók az ipari megvalósítások előtt is.

A gépjármű gázturbina működési elve

Az egytengelyes gázturbina gépjármű hajtására nem alkalmazható, mert túl messze van a fordulatszám-tartománya – alapjárati viszonyok között 6000 és 8000 fordulat percenként. Ha a turbina az ideális üzemi fordulatszámnál alacsonyabb fordulaton üzemel, a forgatónyomatéka és a teljesítménye rohamosan csökken, sokkal drasztikusabb módon, mint a belső égésű dugattyús motorok esetén. Belátható, hogy ez a karakterisztika a közúti közlekedés számára kedvezőtlen.

A gépjárművekben állandó nyomású gázturbinát célszerű építeni, mely két turbinából áll. Az egyik csak a kompresszort hajtja, a másik az ún. munkaturbina. Ez utóbbi tengelye hajtja az autó kerekeit – természetesen megfelelő áttételezés mellett. A nyomatéki karakterisztika ezzel jelentősen kedvezőbbé válik még az benzines- és dízelmotorokénál is, ugyanis a gázturbina nyomatéka indításkor a legnagyobb – ebből következően akár a sebességváltó is elhagyható lenne. Gyakorlati megválósításoknál azonban mégis beépítik, hiszen nélküle nem megoldott például a hátramenet kapcsolása.

A terhelés növelésével a munkaturbina fordulatszáma csökken, a kompresszort a másik turbina teljes fordulatszámmal hajtja, mert a két turbina nincs mechanikus értelemben összekapcsolva. A munkaturbina úgy transzformálja át a hőenergiát mechanikai munkává, mint a dugattyús motorok.

Ahogyan azonban már az általános leírásnál is említettük, lényeges különbség, hogy a sűrítés és az expanzió, tehát az égés is a turbinában folyamatos, a dugattyús motorban pedig ciklikus.

Ebből számos előny mellett említésre méltó hátrányok is származnak: a leggyakrabban emlegetett probléma a nagy üzemanyag-fogyasztás.

A gázturbina tüzelőanyaga közepes kőolajdesztillátum, azaz a kerozin. Annak érdekében, hogy a gázturbina kevesebbet fogyasszon belőle, hőcserélőt építenek a szerkezetbe. Noha ennek mérete és tömege is nagy, mégsem kerülik el az alkalmazását, mert ennek segítségével egy nagyjából 110 kW teljesítményű gázturbina teljes terhelésen 300-340 gramm/kWh tüzelőanyagot fogyaszt, ami összevethető egy hasonló teljesítményű Otto-motor ugyanezen paraméterével.

Ami valójában megakadályozza a gázturbina elterjedését a nagy tömeg mellett, az a részterhelésen történő fogyasztás. Ebben a tartományban ugyanis jelentősen megnő a dugattyús motorok számaihoz képest. A közúti közlekedés pedig jellemzően részterhelésen történik.

Általánosan elmondható, hogy minden hőerőgépnek csökken a hatásfoka, ha a munkavégző közeg hőmérséklete is csökken. Mivel a gázturbinában az égés folyamatos, a részterhelésen történő használat sokkal érzékenyebben érinti, mint a dugattyús motorokat.

Személygépkocsi gázturbinák

Bár nem volt olyan korszak, amikor nagy eséllyel találkoztunk volna gázturbinás autóval az utakon, számos próbálkozás akadt mostanra, melyek közül néhány valóban közlekedett.

Ilyen volt például a Rover 1952-ben bemutatott hajtóműve, melyet egy 85-ösben helyeztek el, a Ford 704-től 707-ig terjedő sorozata, melyet elsősorban teherautókban építettek be, a MAN MTU 7042, a Volkswagen GT 70, az 1963-ban bemutatott Chrysler Turbine, vagy a Formula-1-ben és az IndyCarban is versenyző Lotus 56 gázturbinája.

Jelenleg nincs gyártásban gázturbinás személygépkocsi, ám közúti járműben ma is találhatjuk ilyen erőforrást, például az M1 Abrams harckocsiban.