Схемы комбинированных двигателей

Комбинированные двигатели могут иметь различные связи между входящими в них агрегатами.

Схема двигателя с газовой связью

Наиболее распространенной является схема двигателя с газовой связью (рис. 6.6), которую часто называют схемой со свободным турбокомпрессором.

Рис. 6.6. Схема двигателя с газовой связью:

ПЧ – поршневая часть; К – компрессор; Т – турбина; ОГ – отработавшие газы

В данной схеме используется турбокомпрессор, механически не связанный с поршневой частью. Схема позволяет без существенной модернизации двигателя повысить мощность на 50 – 70 %. Достоинствами схемы являются высокий КПД двигателя и хорошая экономичность, простота, малые габариты.

Недостатками схемы являются худшая приемистость по сравнению с двигателем без наддува, худшая работа на низких частотах вращения вала двигателя, худшие пусковые качества.

Схема двигателя с механической связью между компрессором и двигателем

По этой схеме для наддува двигателя используется приводной нагнетатель. Чаще всего привод осуществляется от коленчатого вала двигателя шестеренчатой (рис. 6.7) или ременной передачей и может быть с постоянным или переменным передаточным отношением.

Рис. 6.7. Схема двигателя с механической связью между
компрессором и двигателем

Достоинствами схемы являются хороший пуск и хорошая приемистость, что важно для транспортных двигателей.

К недостаткам можно отнести ухудшение КПД и, соответственно, экономичности двигателя, ограничение степени наддува.

Схема двухступенчатого наддува двигателя

Двухступенчатый наддув двигателя применяют в случае, если необходимая степень повышения давления превышает 3. Схема двигателя с двумя турбокомпрессорами, имеющими газовую связь, показана на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Схема двигателя с двухступенчатой системой наддува

На определенных режимах работы двигателя может работать только один турбокомпрессор. Двухступенчатый наддув с промежуточным охлаждением воздуха позволяет повысить КПД и расширить диапазон работы турбокомпрессоров.

Схема двигателя с комбинированной связью

В двигателе с комбинированной связью одна ступень компрессора имеет механический привод, а турбокомпрессор имеет газовую связь. Возможные две схемы двигателя показаны на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Схема двигателя с комбинированной связью

В качестве компрессора обычно используется объемный нагнетатель. На левой схеме приводной компрессор является второй ступенью. Такая схема обеспечивает более высокий КПД по сравнению с механическим наддувом, но недостатки, связанные с ухудшением приемистости и плохими пусковыми свойствами, сохраняются. Если приводной компрессор является первой ступенью (правая схема), обеспечивается более высокая приемистость, но КПД двигателя ниже, чем у первой схемы.

Схемы двигателя с механической связью

Турбокомпрессор может быть связан механической передачей с коленчатым вала двигателя (рис. 6.10, а).

Рис. 6.10. Схемы двигателей с механической связью

Отличие схемы б заключается только в том, что компрессор и турбина не объединены в турбокомпрессор, и частоты вращения их валов могут быть разными. В обеих схемах турбина может рассматриваться как силовая.

В таких схемах любой дисбаланс мощностей между турбиной и компрессором компенсируется мощностью поршневой части.

Схемы обеспечивают полное использование энергии отработавших газов независимо от параметров компрессора, хорошую приемистость, высокие пусковые качества, высокий КПД на расчетном режиме, высокое давление наддува независимо от режима работы турбины.

Недостатком схемы является падение КПД турбины и, соответственно, двигателя на частичных режимах работы.

Связь между лопаточными машинами и поршневой частью может быть не жесткой, а через гидромуфту, которая меняет передаточное отношение между агрегатами, что улучшает характеристики двигателя и его приемистость.

Другим способом связи между компрессором, турбиной и поршневой части является дифференциальный редуктор. Способ позволяет повысить коэффициент приспособляемости и увеличивать давления наддува при снижении частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Схемы двигателя с силовой турбиной

Двигатель может иметь турбокомпрессор с газовой связью и силовую турбину (рис. 6.11). Как отмечено выше, если турбина турбокомпрессора имеет связь с коленчатым валом, то двигатель называется турбокомпаундным (см. параграф 2.3).

Рис. 6.11. Схема двигателя с силовой турбиной

Достоинством схемы является повышение КПД двигателя за счет более полного использования энергии отработавших газов. Схема используется на некоторых грузовиках Scania и в двухтактных тепловозных и судовых дизелях.

Свободно-поршневой генератор газа

Схема свободно-поршневого генератора газа показана на
рис. 6.12.

Рис. 6.12. Схема свободно-поршневого генератора газа

Сам поршневой двигатель имеет механический нагнетатель и служит для выработки газа для турбины, а турбина является силовой, но ее мощность передается не на вал двигателя, а непосредственно потребителю.

Достоинствами схемы являются высокий коэффициент приспособляемости, небольшая трудоемкость изготовления и отсутствие гидро- и электромуфт.

Недостатком схемы является низкая экономичность. Тем не менее, свободно-поршневой генератор газа с силовой турбиной для привода винта используется в газотурбоходах (турбоходах) с мощностью турбины несколько тысяч л. с.

Контрольные вопросы

1. Что называется турбокомпрессором?

2. В чем особенность двухконсольной схемы турбокомпрессора?

3. Какими достоинствами обладает одноконсольная схема турбокомпрессора?

4. Какие подшипники используют в турбокомпрессорах?

5. Опишите достоинства и недостатки комбинированного двигателя с газовой связью.

6. В каких случаях применяют двухступенчатую систему наддува?

7. В чем достоинство двигателя с силовой турбиной?

8. В чем главный недостаток свободно-поршневого генератора газа с силовой турбиной?