Рабочий цикл комбинированной установки, состоящей из двигателя, компрессора и газовой турбины, приведен на рис. 145. Линия 0—1? представляет сжатие воздуха в компрессоре; линия 1?—7 — нагнетание воздуха в ресивер, а площадь 0—1?—7—8—0 выражает работу, затрачиваемую на сжатие воздуха в компрессоре.

Работа, совершаемая в рабочем цилиндре свободнопоршневым гене­ратором газа, выражается площадью 1—2—3—4—1, которая равна площади 0—1'—7—8—0. Продукты сгорания в период выпуска их из рабочего цилиндра смешиваются с продувочным воз­духом, и потому температура и удельный объем газовоздушной смеси умень­шаются и работа расширения газов в турбине начинается не в точке 5', а в точке 5. Положение точки 5 определяется еще и тем, насколько исполь­зуется кинетическая энергия выпускных газов. Работа, совершаемая газовой турбиной, выражается площадью 8—7'—5—6—8. Термический к. п. д. иде­ального цикла комбинированной силовой установки с свободнопоршневым гене­ратором газа определяется по формуле (6):

где ??_к является общей степенью сжатия в компрессоре и в двигателе. Тер­мический к. п. д. цикла комбинированной установки равен термическому к. п. д. цикла дизеля при степени сжатия, равной общей степени сжатия.

Наибольшее давление продувочного воздуха р_к определяется допусти­мой температурой в конце сжатия одноступенчатого компрессора и состав­ляет р_к = 4,5 ? 6,5 кГ/см². Давление в конце сжатия в цилиндре двигателя устанавливается из условия возможности самовоспламенения топлива. Так как в свободнопоршневым гене­ратором газа отсутствует шатунно-мотылевый механизм, то целесооб­разно допускать высокие значения давлений: р_с = 40?80 кГ/см²; р₂ =60 ?120 кГ/см.

Комбинированные судовые силовые установки с свободнопоршневым гене­ратором газа обладают сле­дующими основными преимуществами.

1.         Цикл свободнопоршневым гене­ратором газа имеет более высокую максимальную температуру, чем цикл обычной газотурбинной установки, а потому к. п. д. установки свободнопоршневым гене­ратором газа выше, чем у газотурбинной уста­новки (при температуре газа 500—600°С) на входе в турбину.

2.         Вследствие невысокой темпера­туры газов перед турбиной лопатки ее могут быть изготовлены без применения специальных жаростойких материалов.

3.         Группа свободнопоршневым гене­ратором газа может работать на одну турбину, что повышает маневрен­ные качества силовой установки судна.

4.         Удельный вес установки сравни­тельно невелик.

5.         свободнопоршневым гене­ратором газа полностью уравновешен, что позволяет делать более легкие фун­даменты.

6.         Отсутствие шатунно-мотылевого механизма упрощает применение мазутов в качестве топлива для свободнопоршневым гене­ратором газа по сравнению с обычным дизелем.

К числу основных недостатков установок с свободнопоршневым гене­ратором газа нужно отнести:

1.         Более сложную конструкцию свободнопоршневым гене­ратором газа по сравнению с камерой сгора­ния газовой турбины.

2.         свободнопоршневым гене­ратором газа имеет определенные границы устойчивой работы по давлению и расходу газа (для их расширения применяют буферные цилиндры, что усложняет их конструкцию).

3.         При большом числе свободнопоршневым гене­ратором газа усложняется управление силовой уста­новкой.

4.         Затруднен нормальный впрыск топлива в цилиндр свободнопоршневым гене­ратором газа, вследствие того что движение поршней около внутренней мертвой точки значительно замедляется, а также замедляется вращение вала топливного насоса.

5.         Судовые установки с свободнопоршневым гене­ратором газа имеют больший удельный расход топ­лива, чем судовые дизельные установки. Этим и можно объяснить весьма ограниченное применение свободнопоршневым гене­ратором газа на флоте.

В качестве примера на рис. 146 показана судовая установка с свободнопоршневым гене­ратором газа мощностью 1 200 л. с. на гребном винте. Она имеет два свободнопоршневым гене­ратором газа 3; редуктор 4; газовую турбину 5; электрогенераторы 6, приводимые в действие от допол­нительных газовых турбин, и пост управления 7. Воздух подводится в свободнопоршневым гене­ратором газа по трубопроводу 1, а выпуск газов из турбины происходит по трубо­проводу 2.

На рис. 147 приведен план машинного отделения теплохода грузоподъемностью 5 000 т. Установка данного теплохода имеет: два свободнопоршневым гене­ратором газа 1; две газовые турбины 2, передающие мощность на гребной вал через зубчатый редуктор 3; дизель-генераторы 13; вспомогательные механизмы: насос охлаждения свободнопоршневым гене­ратором газа 4; насосы забортной воды 5 и 23; топливоподкачивающий насос 6; масляный насос 7; масляный насос турбины 8; компрессор 9; бал­лоны пускового воздуха 10; пост управления 11; ящик для аккумуляторной батареи 12; пожарный насос 14; балластный насос 15; осушительный насос 16; топливоперекачивающий насос 17; ручной топливный насос 18; маслоперекачивающий насос 19; сепаратор масла 20; ручной масляный насос 21; подогреватель масла 22; насос фильтрованной воды 24; ручной санитарный насос 25; вспомогательный паровой котел 26; циркуляционный насос 27; 28 — паровой питательный насос; питательный насос 29; насос горячей воды 30; водоподогреватель 31; сепаратор пара 32; воздушный баллон 33; цистерна охлаждающего масла свободнопоршневым гене­ратором газа 34; расходная масляная цистерна 35; отстойная масляная цистерна 36.

Наибольшее применение в судовых установках получили свободнопоршневым гене­ратором газа фран­цузской фирмы «Сигма» типа GS-34, имеющие следующие основные данные: мощность по газу 1 250 л. с.; диаметр цилиндра 340 мм; ход поршней 2 ? 450 мм; диаметр цилиндра компрессора 900 мм; число циклов в минуту 400—600; средняя скорость поршня 9 м/сек; давление газа перед турбиной 3,1 кГ/см²; температура газа перед турбиной 450°С; удельный вес 6,8 кг/л. с.

Расчет параметров цикла двигателя свободнопоршневым гене­ратором газа производится так же, как и цикла двухтактного дизеля. При этом надо руководствоваться следующими соображениями. Относительная высота выпускных и продувочных окон не влияет на экономику свободнопоршневым гене­ратором газа, так как энергия выпускных газов используется в турбине, а потому относительная высота выпускных окон принимается ? = 0,40?0,50. Так как отсутствует сдвиг фаз продувочного и выпускного поршней, то высота продувочных окон принимается значительно меньше выпускных, а давление в начале сжатия р_а приближается к давлению за двигателем р_r:

Давление газов перед турбиной меньше давления р_r на величину паде­ния давления ?р_т вследствие сопротивления движению газового потока в газопроводе и в регулирую­щих органах турбины:

Минимальное значение степе­ни сжатия в цилиндре двига­теля принимается ?_д = 4,5 ? 6, а максимальная степень сжатия в компрессоре ?_к оп­ределяется по наибольшей допустимой температуре воз­духа в конце сжатия в одной ступени компрессора (550° К). Давление в конце сжатия р_с и максимальное давление цик­ла свободнопоршневым гене­ратором газа принимается р_с = 50 ?90 кГ/см² и р_z = 100 ? 155 кГ/см

Движение поршня свободнопоршневым гене­ратором газа происходит под действием из­меняющихся сил давления на поршни «двигателя», компрес­сора и буфера и сил трения. Равнодействующая этих сил и определяет закон движения поршня свободнопоршневым гене­ратором газа. Величина рав­нодействующей силы для свободнопоршневым гене­ратором газа с двухступенчатым ком­прессором и буферным ци­линдром в зависимости от рас­стояния поршней от ВМТ (внутренней мертвой точки) x определяется уравнением

изменения силы R(х) за прямой и обратный ход поршней. Площадь, образуе­мая кривой изменения силы R_(Х) и осью абсцисс в системе координат R_(Х) —S (S — ход поршней свободнопоршневым гене­ратором газа) на рис. 148, а, выражает работу этой силы, рав­ную, за вычетом работы трения поршней, кинетической энергии движущих­ся поршней (рис. 148, б). Иными словами, кинетическая энергия поршня  свободнопоршневым гене­ратором газа на каждом отрезке своего пути равна

Построив график ? = f(S) (рис. 148,в) для прямого и обратного пути поршня (на рис. 148, г скорость обратного пути показана пунктиром), можно определить значение средней скорости для каждого участка пути ?_ср.

Время прохождения каждого участ­ка пути будет равно

Зная время прохождения каждого участка пути, можно построить график ? = f(S) для прямого и обратного хода (рис. 148, г), и, следовательно, время совершения полного цикла

Относительные размеры ступеней свободнопоршневым гене­ратором газа определяются из уравнения баланса работ за цикл в свободнопоршневым гене­ратором газа. Для одной стороны свободнопоршневым гене­ратором газа при одноступен­чатом сжатии и если принять, что потери в буферном цилиндре включены в механический к. п. д. , указанное уравнение будет иметь вид

Расчет основных параметров судовой комбинированной установки с свободнопоршневым гене­ратором газа может быть выполнен в следующем порядке.

1.    По известной мощности на гребном валу определяется мощность га­зовой турбины N_т л. с.

2.         По мощности турбины N_т определяется необходимая мощность по

газу

где ?_т — к. п. д. турбины;

?_тр — к. п. д., определяющий потери в газопроводе между свободнопоршневым гене­ратором газа и турби­ной; ?_тр = 0,98?0,99.

3.         Предварительно задаваясь средним индикаторным давлением «двигателя» р_iд, числом циклов в минуту n_цикл, определяется диаметр D_д и ход поршня S цилиндра «двигателя». По известному Па определяется диа­метр цилиндра компрессора при выбранном отношении F_кI /F_д так, например, для схемы свободнопоршневым гене­ратором газа (см. рис. 143, б)

Площадь и диаметр буферного цилиндра определяются по значению отношения F_б / F_д.

В результате определения размеров диаметров цилиндров может быть определен вес поршневой группы.

4.         По выбранному давлению воздуха в ресивере «двигателя» в соответ­ствии с принятой схемой свободнопоршневым гене­ратором газа производится расчет процесса компрессора.

5.         Производится расчет цикла «двигателя», в результате которого опре­деляются: среднее индикаторное давление р_iд, удельный индикаторный рас­ход топлива gi и индикаторный к. п. д. свободнопоршневым гене­ратором газа ?_i.

6.         Определяется давление в начале и в конце сжатия воздуха в буфер­ном цилиндре.

7.         По индикаторным диаграммам цилиндров «двигателя», компрессора и буфера строятся диаграммы: работы, скорости и времени цикла свободнопоршневым гене­ратором газа (рис. 148), на основании которых определяется число циклов в минуту и средняя скорость поршня.

8.         Соответствие предварительно определенного диаметра цилиндра «двигателя» и индикаторной мощности свободнопоршневым гене­ратором газа определяется по формуле

Удельный эффективный расход топлива установки равен

Указанный расчет производится при определенном ходе поршня свободнопоршневым гене­ратором газа, которому соответствует вполне определенное максимальное давление в бу­фере и давление газов перед турбиной. Эти взаимозависимости давлений сжатий в цилиндре «двигателя», в цилиндре буфера и давления газов перед турбиной являются характеристиками свободнопоршневым гене­ратором газа, определяющими способ регу­лирования работы установки. Управление изменением указанной взаимо­зависимости давлений прежде всего можно производить изменением коли­чества подаваемого топлива за один цикл. Однако уменьшение мощности свободнопоршневым гене­ратором газа при таком регулировании ограничено необходимостью открытия про­дувочных и выпускных окон и потому является возможным при уменьшении мощности установки примерно только до 50%.

Для расширения диапазона изменения мощности установки необхо­димо применение специальных методов регулирования, которыми могут быть:

1)         изменение вредного пространства компрессора, для чего необходимо иметь специальное приспособление;

2)         изменение степени сжатия в цилиндре «двигателя»;

3)         дросселирование воздуха на всасывании в компрессор.