W przemyśle motoryzacyjnym, podobnie jak w innych dziedzinach, istnieją ugruntowane tradycyjne technologie, wykorzystywane od dziesięcioleci lub nawet stuleci, oraz innowacyjne rozwiązania, które, chociaż mniej znane, są niezwykle fascynujące i interesujące z technicznego punktu widzenia. Do tej drugiej kategorii należy turbina gazowa. Choć urządzenie to znalazło zastosowanie w wielu innych branżach, nie zdobyło znaczącej popularności w transporcie drogowym. To jednak nie oznacza, że próby wdrożenia tego pomysłu nigdy nie miały miejsca.

Czym jest turbina gazowa?

Tak jak silniki spalinowe, turbina gazowa również jest klasyfikowana jako silnik cieplny. Zasada działania pozostaje taka sama: paliwo jest dostarczane do otwartej lub zamkniętej przestrzeni, gdzie ulega spalaniu przy udziale tlenu z wykorzystanie energii wytworzonej w procesie spalania. Turbina gazowa może w pewnym sensie być określana jako silnik Otta. Jednak istnieją między nimi istotne różnice. Jedną z nich jest fakt, że turbina gazowa nie działa na zasadzie cyklicznych, wyraźnie oddzielonych, okresowo powtarzających się etapów, ale strumień powietrza i paliwa jest ciągły. To dlatego jednostki te charakteryzują się bardzo wysokimi poziomami przepływu powietrza, a koła sprężarek wtłaczają powietrze do komór spalania pod dużym ciśnieniem. Może się pojawić pytanie, jakie jest zastosowanie tego procesu spalania. Termin „turbina gazowa” jest ogólną nazwą, i istnieje kilka podtypów w zależności od konstrukcji i zastosowania.

Prawdopodobnie najbardziej znanym podtypem turbiny gazowej jest silnik odrzutowy. Termin „turbina gazowa” używany jest wtedy, gdy siła reakcji wytworzona podczas spalania jest wykorzystywana na końcu procesu. W rezultacie ogromny wzrost objętości spalin wydobywających się z tyłu silnika napędza pojazd do przodu. Silniki odrzutowe mogą być czasowo przyspieszane, jeśli wyposażone są w dopalacz będący komorą dostarczającą dodatkowe paliwo. W wyniku tego moc może zwiększyć się o dodatkowe 45-50%. Jednakże możliwe jest nie tylko wykorzystywanie siły reakcji do napędu pojazdów za pomocą turbiny gazowej. Istnieje także opcja stworzenia mechanicznego układu napędowego. Przykłady to turbiny stosowane w elektrowniach, które zazwyczaj napędzają generatory za pomocą przekładni lub bezpośredniego mechanicznego połączenia wału (pełna nazwa: turbina gazowa napędzająca wał). Ponadto istnieją turbiny gazowe śmigłowe; w tych przypadkach ruch obrotowy może być również generowany przez łopatki wentylatora umieszczone na drodze wyprowadzanych spalin.

Kiedy powstała pierwsza turbina gazowa?

Nie znamy dokładnej daty pierwszego opisu działania turbin gazowych ani jego autora. Pierwszy znany patent w tym zakresie został przyznany Johnowi Barberowi w 1791 r. Jednak prawdziwe osiągnięcia w tej dziedzinie pojawiły się ponad sto lat później, w 1897 r., gdy rosyjski inżynier P. D. Kusminski stworzył pierwszy działający model turbiny gazowej, który niestety szybko uległ awarii. W pierwszej połowie XX w. nie znaleziono jeszcze praktycznych zastosowań, które uzasadniałyby dalszy rozwój tej technologii. W Europie powstało kilka eksperymentalnych projektów turbiny gazowej do produkcji energii, jednak prawdziwy przełom nastąpił w trakcie II wojny światowej, kiedy intensywnie pracowano nad rozwojem silników. Do 1939 r. Niemcy mieli już działające silniki odrzutowe, a pod koniec wojny praktycznie każde większe mocarstwo uczestniczące w konflikcie posiadało własne silniki odrzutowe. Problemy związane z odpornością na wysoką temperaturę, które na początku były wyzwaniem, zostały pokonane dzięki coraz lepszym materiałom, co utorowało drogę do ich zastosowań przemysłowych.

Zasada działania turbiny gazowej w pojeździe

Turbina gazowa o jednym wałku nie nadaje się do napędzania pojazdów silnikowych ze względu na jej szeroki zakres prędkości, który wynosi od 6 000 do 8 000 obrotów na minutę na biegu jałowym. Jeśli turbina pracuje poniżej idealnej prędkości roboczej, jej moment obrotowy i moc gwałtownie spadają, znacznie bardziej niż w przypadku silników spalinowych tłokowych. To sprawia, że jest ona nieodpowiednia do użytku w pojazdach drogowych.
W przypadku pojazdów zaleca się stosowanie turbiny gazowej o stałym ciśnieniu, złożonej z dwóch składowych turbin. Jedna z tych turbin napędza tylko sprężarkę, a druga – nosząca miano turbiny roboczej – napędza koła samochodu dzięki odpowiedniemu przełożeniu. Charakterystyka momentu obrotowego staje się wtedy znacznie korzystniejsza niż w przypadku silników benzynowych i wysokoprężnych, ponieważ moment obrotowy turbiny gazowej jest największy podczas rozruchu, co może nawet eliminować konieczność używania skrzyni biegów. Jednakże skrzynia biegów nadal jest uwzględniana w praktycznych wdrożeniach, ponieważ jest niezbędna do załączenia biegu wstecznego.
W miarę zwiększania się obciążenia prędkość turbiny roboczej spada, a sprężarka jest napędzana przez drugą turbinę z pełną prędkością, ponieważ obie turbiny nie są mechanicznie połączone. Turbina robocza przekształca energię cieplną w pracę mechaniczną, podobnie jak silniki tłokowe.
Jednak istnieje istotna różnica, o której wspomniano wcześniej, a mianowicie ciągłe spalanie w turbinie, w przeciwieństwie do cyklicznego spalania w silniku tłokowym. Należy także zauważyć, że turbina gazowa ma pewne wady, w tym wysokie zużycie paliwa. Turbina gazowa używa jako paliwa destylatu ropy naftowej, czyli nafty. Aby zmniejszyć jej zużycie, do konstrukcji turbiny gazowej wprowadzono wymiennik ciepła. Chociaż jest to duży i ciężki element, jest niezbędny, ponieważ dzięki niemu turbina gazowa o mocy około 110 kW zużywa 300-340 gramów paliwa na każdy kilowatogodzinę przy pełnym obciążeniu, co jest porównywalne z osiągami silnika Otta o podobnej mocy.
Niemniej jednak prawdziwą przeszkodą w rozpowszechnieniu turbiny gazowej, oprócz jej dużej masy, jest jej wysokie zużycie paliwa przy częściowym obciążeniu. W tym zakresie zużycie wzrasta znacznie bardziej niż w przypadku silników tłokowych. Przeważająca część transportu drogowego odbywa się bowiem przy częściowym obciążeniu.
W ogólnym ujęciu, sprawność wszystkich silników cieplnych spada w miarę obniżania się temperatury czynnika roboczego. Ponieważ spalanie w turbinie gazowej jest ciągłe, jest ona bardziej wrażliwa na pracę przy częściowym obciążeniu niż silniki tłokowe.
Turbiny gazowe do samochodów osobowych
Chociaż nie było epoki, w której moglibyśmy zobaczyć samochód z turbiną gazową na drodze, było już kilka prób jej zastosowania.

Taki był na przykład silnik Rovera zaprezentowany w 1952 r., który został umieszczony w modelu 85, serii Forda od 704 do 707 i był montowany głównie w ciężarówkach, MAN MTU 7042, Volkswagen GT 70.

Obecnie w produkcji nie ma samochodów osobowych z turbiną gazową, ale urządzenie to można nadal znaleźć w niektórych pojazdach, na przykład w czołgu M1 Abrams.