Приведем несколько примеров комбинированных двигателей и генераторов газа.
Комбинированный способ, согласно определению, характеризуется тем, что эффективная мощность получается не только за счет расширения в рабочем цилиндре двигателя, но и за счет расширения во второй (расширительной) ступени. Комбинированными двигателями называются такие, у которых газовая турбина (или одна из нескольких имеющихся турбин) также отдает мощность коленчатому валу.
Наиболее характерные примеры таких двигателей имеются в авиации. В связи с высокими степенями сжатия и расширения в компрессоре и турбине (вследствие низкого внешнего давления) здесь особенно благоприятны условия для применения комбинированного способа. Одним из наиболее мощных поршневых двигателей с принудительным зажиганием был авиационный двигатель «Райт—Турбо—Компаунд» фирмы «Кертисс—Райт», 18 цилиндров которого располагались в виде двойной звезды (рис. 11.31); его стартовая мощность составляла 2420 кВт (3292 л. с.) при частоте вращения 2900 об/мин.
![Внешний вид 18-цилиндрового авиационного двигателя с принудительным зажиганием звездообразной конструкции типа "Райт - Турбо - Компаунд" фирмы "Кертисс - Райт" Внешний вид 18-цилиндрового авиационного двигателя с принудительным зажиганием звездообразной конструкции типа "Райт - Турбо - Компаунд" фирмы "Кертисс - Райт"](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/50-94/90.gif)
У этого двигателя компрессор приводился от коленчатого вала; три газовых турбины, расположенных звездообразно под углом 120°, отдавали свою мощность коленчатому валу [11.31; 11.32]. Этот двигатель применялся на транспортных самолетах дальнего действия до тех пор, пока как и все поршневые двигатели большой мощности не был заменен реактивным.
Разработанный фирмой «Нэпир» (г. Актон) авиационный дизель, так и не нашедший практического применения, назывался «Нэпир—Номад» — рис. 11.32 [11.31; 11.33; 11.34].
![Внешний вид авиационного дизеля типа "Нэпир-Номад" Внешний вид авиационного дизеля типа "Нэпир-Номад"](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/50-94/91.gif)
![Поперечный разрез двигателя Поперечный разрез двигателя](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/50-94/92.gif)
Двухтактный двигатель с контурной продувкой имел 12 цилиндров с оппозитным расположением (рис. 11.33), его наддув и продувка осуществлялись с помощью восьмиступенчатого осевого компрессора, приводимого трехступенчатой газовой турбиной. Вал турбокомпрессора соединялся с коленчатым валом двигателя через систему зубчатых колес и бесступенчато регулируемую фрикционную передачу (передача Бейера).
При низких нагрузках (низкая частота вращения пропеллера) мощность на привод компрессора не обеспечивалась газовой турбиной, и нехватка мощности покрывалась за счет отбора от коленчатого вала двигателя; при высоких нагрузках избыточная мощность турбины передавалась на коленчатый вал (рис. 11.34).
![Скоростная характеристика двигателя Скоростная характеристика двигателя](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/50-94/93.gif)
При общей мощности 2200 кВт (3000 л. с.) мощность газовой турбины составляла приблизительно 1650 кВт (2250 л. с.), избыток мощности турбины по отношению к мощности компрессора достигал примерно 16% от общей мощности. Расход топлива в мощностном диапазоне между 2/3 и полной нагрузкой имел весьма низкую величину — 218 г/(кВт•ч) [161 г/(л.с. ч) ]. Благодаря столь низкому расходу топлива этот двигатель, вероятно, мог бы найти применение на самолетах дальнего действия, если бы высокомощные поршневые двигатели в авиации не были повсеместно вытеснены газовыми турбинами (воздушно-реактивными двигателями).
Генератор газа, в соответствии с определением, характеризуется тем, что эффективная мощность снимается только с турбины, в то время как мощность, разиваемая в цилиндрах двигателя, идет лишь на привод компрессора. Генераторы газа большей частью работают по двухтактному циклу, так как в этом случае вследствие большого коэффициента продувки легче достигается обеспечение баланса мощностей между рабочим цилиндром и компрессором при более низком давлении наддува, чем в четырехтактном двигателе. Если коленчатый вал отсутствует и рабочие поршни непосредственно соединены с поршнями компрессоров, то это свободно-поршневые генераторы газа (СПГГ). В практике встречаются только двухтактные СПГГ.
Среди большого количества разработок в области СПГГ одним из самых известных, получивших практическое применение, является разработанный фирмой SEME (Париж—Мальмэзон) с использованием патентов фирмы «Пескара» типа GS34 (рис. 11.35). Получаемая в газовой турбине эффективная мощность составляет приблизительно 736 кВт (1000 л. с.) [11.35].
![Разрез свободно-поршневого генератора газа типа GS34 фирмы SEME Разрез свободно-поршневого генератора газа типа GS34 фирмы SEME](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/50-94/94.gif)
СПГГ типа GS34 впоследствии совершенствовался и выпускался фирмой SIGMA (г. Лион), приобретшей лицензию у фирмы SEME [11.37]. До 1960 г. было продано большое количество лицензий; до 1962 г. тип GS34 строился многими компаниями и практически применялся в стационарных наземных установках, а также на судах.
Одновременное подключение нескольких газогенераторов к одной газовой турбине является вполне возможным. Так как за счет значительного объема трубопровода (газовая турбина, как правило, размещается не в непосредственной близости от генератора газа) давление газа выравнивается, то не обязательно добиваться работы генератора газа при равном числе ходов и при равномерно смещенных друг к другу фазах газораспределения. Для сдвоенных установок было найдено оптимальное газораспределение, обеспечивающее смещенное на 180° положение фаз генераторов газа, в остальном работающих независимо друг от друга.
Газовые турбины с СПГГ имеют, наряду с прочими, следующие основные преимущества:
1) полное уравновешивание масс каждого отдельного агрегата, следствием чего является простота и небольшая стоимость фундаментов;
2) хорошая характеристика крутящего момента газовой турбины: при уменьшении частоты вращения от полной до нуля крутящий момент увеличивается в 2,5 раза;
3) меньший расход топлива, чем у газотурбинных установок с камерами сгорания, в особенности при меньших мощностях; отсутствие необходимости в теплообменнике;
4) возможность одновременного подключения любого количества отдельных генераторов газа на одну силовую турбину, благодаря чему одним и тем же типоразмером генератора газа перекрывается широкий мощностной диапазон;
5) меньшие удельные массо-габаритные показатели, чем у крупных малооборотных двигателей.
Этим преимуществам противостоят некоторые недостатки.
1. Оптимальное значение расхода топлива существенно выше, чем у дизелей с наддувом, имеющих равную мощность.
2. Расход топлива на частичных нагрузках отдельного генератора газа значительно выше, чем у дизелей; расход топлива на режиме холостого хода весьма высок. Этот недостаток может быть устранен только сочетанием нескольких агрегатов, если с уменьшением нагрузки один за другим отключаются отдельные генераторы газа, а при увеличении нагрузки вновь соответственно подключаются.
3. Преимущество имеет значение только для автомобильных двигателей, однако именно автомобильные двигатели часто работают на режимах изменяющихся нагрузок и даже холостого хода. Для ограничения расхода топлива именно в этом случае следовало бы применять большее число отдельных генераторов газа, которые бы при изменении нагрузки автоматически останавливались или соответственно запускались. Для этого потребуется очень сложная система регулирования, а также очень высокий расход пускового воздуха.
4. Сравнение массо-габаритных показателей с малооборотными крупными двигателями не соразмерно. Если сравнивать установки, имеющие или примерно равные диаметры цилиндров, или равное число ходов (равную частоту вращения), или равную цилиндровую мощность, то массо-габаритные показатели установки с СПГГ не будут меньше, чем у многоцилиндрового дизеля с высоким наддувом. Это связано и с тем, что внешний диаметр у генераторов газа определяется поршнем компрессора, имеющим диаметр в несколько раз больший, чем рабочий поршень. Поэтому несколько генераторов газа нельзя установить так компактно по длине, как объединенные в блок цилиндры дизеля.
5. СПГГ работают при высоких давлениях наддува и высоких средних индикаторных давлениях, что при двухтактном цикле в сочетании с работой на тяжелом топливе часто затрудняло эксплуатацию.
Несмотря на то, что были построены электростанции мощностью до 25 000 кВт, приводимые 34 отдельными генераторами газа типа СS34 [11.38], значение и практическое применение установок с СПГГ сильно упало, новые разработки в этой области почти не предпринимаются (в отличие от дизелей, которые развиваются в направлении повышения удельных мощностей).
|