Jendrassik gázturbinák


Gázturbina fejlesztés

Jendrassik György első gázturbina szabadalmának kelte 1929. március 12. 1934-ben munkatársakat vont be a számítások végzésére. 1937-ben sor került az előzetes kísérletekre, amelyek tapasztalataival 1938-ban megépítette gázturbináját, amely 1938. október 2-án indult el először. Rövidesen terhelhető volt és 1939. január 2-án bemutatta a hivatalos ellenőrző bizottságnak, majd pedig március 8-án a nyilvánosság előtt ismertethette munkájának eredményét.

100 lóerős gázturbina

Ezután megépítette a 100 lóerős (73,5 kW) gázturbina berendezését, amely állandó nyomású, hőcserélős, nyílt körfolyamatú volt. A tíz fokozatú, ún. feles forgású, axiális rendszerű kompresszor 2,2 ata nyomásra sűrítette a levegőt, amely az ellenáramú hőcserélőben 350 °C-ra melegedett fel. A levegő innen a befecskendezőszivattyúk által  nyersolajjal táplált tüzelőtérbe került, ahol 475 °C -ra melegedett fel, majd a hét fokozatú, ugyancsak feles forgású (fél reakciófokú) és elcsavart lapátokkal bíró turbinában, ahol a hőesés fele a forgó, fele az álló lapátokon átalakult mozgási energiává-expandált és munkát fejtett ki, végül a hőcserélőn átáramolva, mintegy 100-200 °C-ra lehűlve a szabadba távozott.
A berendezés hasznos munkája a turbina által kifejtett és a kompresszor hajtására szükséges munkák különbségéből áll. Ez a munka nem nagy a turbina és a kompresszor munkáinak abszolút értékéhez viszonyítva, mert a turbina előtti hőmérsékletet, ami termodinamikai körfolyamat hatásfokát meghatározza, a szerkezeti anyagokra való tekintettel meglehetősen korlátozni kell. Ezért elsősorban jó hatásfokú kompresszort és turbinát kellett építeni. Mivel pedig jó kompresszort nehezebb megépíteni, mint a jó turbinát, az előbbivel kezdte a fejlesztést..
A nagy fordulatszámok miatt csak körforgó kompresszor és turbina jöhetett szóba. Mivel állandóan ugyanazt a levegő mennyiséget dolgozták fel, merev tengelykapcsolóval összekötött tengelyekre szerelt, vagy a későbbi Cs 1 jelű gázturbinánál egybeépített változatot alkalmaztak.
A kísérleti célokra külön épített kompresszora a repülőgépek gázturbináinál azóta igen elterjedt ún. feles forgású (0,5 reakciófokú), hat fokozatú axiális kompresszor volt, a lapátok a potenciális örvény szerinti elcsavarással készültek, a hatásfoka pedig 85 %-ot ért el.
A kísérleti kompresszor annyira igazolta Jendrassik feltevéseit és számításait, hogy a kísérletek céljából turbina építését mellőzhette.
Hőcserélőnek ellenáramú rekuperátort választotta. A régebben lefolytatott Martinka-féle kísérletekből már tudta, hogy az itt alkalmazni kívánt kis áramlási sebességeknél is jó hőátadási tényezőt lehet elérni kis rétegvastagság mellett. Ezért a hőcserélőt kis térközökkel összehegesztett hőálló acéllemezekből tervezte meg, amelyet több elemre osztott. Kísérletekre csak egy ilyen elemet készíttetett el. Számításait ez is igazolta és egyúttal a technológiában is tapasztalatokat szerzett.
A Jendrassik féle 100 lóerős (73,5 kW) gázturbina berendezés a következő részekből állt: kompresszor, amely az atmoszférából beszívott levegőt 2,2 atmoszférárara sűrítette, hőcserélő, amely a sűrített levegő hőfokát a rajta átáramló égéstermékek hőjének egy részével tovább melegítette, tüzelőtér, ahol az elégetett nyersolaj hőjét a levegő felvette és elérte a berendezésben uralkodó legnagyobb hőfokot, turbina, amelyben az égéstermékek expandálva hasznos munkát fejtett ki (1. ábra).

bmelab_14_01.jpg

Az alumínium ötvözetből, kokillában öntött kompresszorlapátok és a hőálló acélból precíziós öntéssel készített turbinalapátok technológiájának kikísérletezése, majd gyártása Árpay Károlynak megbecsülhetetlen érdeme, aki minden tudását beleadva járult hozzá a gázturbina létrehozásához.

Cs 1 jelű repülőgép gázturbina


A légcsavaros repülőgép gázturbina tervezés és gyártás olyan gyorsan ment, hogy 1940 augusztusában már elkezdődtek a kísérletek. A gázturbinának a tervek szerint 550°C legnagyobb hőmérséklet mellett 1000 lóerőt kellett volna teljesítenie. Az égési tökéletlenségek, egyenlőtlen hőmérsékleti eloszlás, a kitűzött termodinamikai körfolyamat (az expanzió első fele izotermikus, másik fele adiabatikus kellett volna hogy legyen) nem megvalósulása, továbbá a mérőberendezés primitív volta és hiánya, amit a háború miatt lehetetlen volt pótolni, a következő évig (1941. február 11-ig) késleltették a repülőgép-gázturbina megindulását. Az év végére is csak 302 lóerőt értek el 7% hatásfokkal. Ekkor a háború miatt a kísérleti alkatrészek cseréje, főleg a tüzelőtér többszöri átalakítása mind vontatottabb lett. A kísérleteket 1943-ban, amint akkor hitték ideiglenesen, de valójában örökre abbahagyták.

 
bmelab_14_02.jpg

A Cs 1. jelű gázturbinát, amely nagyon hasonlít a mai kivitelekhez (2. ábrán és 3. ábrán mutatjuk be). A képen jobbról balra látható a lassító fogaskerékmű háza, amit körülvesz a beömlő csatorna, majd a kompresszor, a tüzelőtér, a turbina és a kiömlőcső. Elöl foglalnak helyet a segédgépek is, ezek a befecskendező és a kenőolajszivattyú, a regulátor, a  kenőolajhűtő és az indítómotor. A 15 fokozatú kompresszor és a tíz fokozatú turbina közös merev szerkezetet alkotnak. A kompresszorból a turbinába vezetett levegő egy része, mint hűtőlevegő hatásosan hűti a turbina forgórészét és lapátjainak tövét. A szerkezet számos olyan megoldást mutat, amelyet a később megvalósított repülőgép-gázturbinánál elterjedten alkalmaztak.


 

JR 300 jelű jármű gázturbina

1941-ben elkészült három darab JR 300 jelű, 300 lóerős gázturbina (4. ábra), melyek közül kettő járművek számára, egy pedig stabil célokra épült. A két kivitel között csak a redukciósműben volt eltérés.
Feltűnő változás az előző gázturbinákhoz képest a turbinának szétválasztása két független részre, melyek közül egyik a kompresszort és segédgépeket hajtó turbina, a másik a munkaturbina volt. Ez a megoldás lehetővé tette a munkaturbina fordulatának függetlenítését a másikétól, aminek következtében a munkaturbina teljesítményét a járművek által megkívánt módon lehetett szabályozni, vagy a munkaturbinát le is állítani.
A tíz fokozatú axiális kompresszor három atmoszférára sűrítette a levegőt, amely a tüzelőtérben 550°C -ra melegedett fel és innen az I. turbinába került, amelynek fordulata 19000 f/perc volt.
A munkaturbina öt fokozatból állt, fordulatát a redukciósmű 12 600 f/perc-ről stabil kivitelnél 1000 f/perc-re, járműnél pedig a kívánt fordulatra csökkentette.
A berendezés fordulatának szabályozása pneumatikus szabályozóval történt, amely a fordulatszámot a kompresszor szívócsövében levő depresszió útján érzékelte. A munkaturbina fordulatát még a redukciósműről hajtott mechanikus regulátor is szabályozta, amely a tüzelőanyag mennyiségét állította és a munkaturbina megkerülő vezetékének szelepére hatott.
Az első JR 300 jelű turbina 1941. szeptember 6-án indult meg és decemberben kezdődtek a terhelési próbák a tervezettnél nagyobb ellenállású hőcserélő kikapcsolásával, majd a következő év februárjától egy újabb, az előbbinél kisebb ellenállású hőcserélővel. Ez alkalommal a kimenő tengelyvégen 900 f/perc  mellett 81 lóerő teljesítményt mértek, a fogyasztás 530 g/LEó volt, ami 11,8%-os hatásfoknak felelt meg. A két turbina előtti hőfok 594 °C, ill. 443 °C volt.
Ekkor szükségesnek tartotta Jendrassik az égés javítását és az egyes veszteségek csökkentése végett bizonyos rész kísérletek végzését, a rekuperátoros hőcserélő helyett forgódobos hőcserélő alkalmazását, de a kísérletek 1943. november végén - ugyancsak a háború következtében - abbamaradtak.

Készítette: Dr. Sztankó Krisztián,
Források: Dr. Fülöp Zoltán: Gázturbinák, 1975.,Szőke Béla, Műszaki nagyjaink