Наддувом

Цикл дизеля с импульсным газотурбинным

Для решения задачи одновременного повышения L_t, P_t и h_t применим лопаточную машину (газовую турбину), т. е. осуществим процесс продолженного расширения после точки b” не в поршневой части двигателя, а в указанной лопаточной части – в газовой турбине (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Цикл с импульсным газотурбинным наддувом.

Итак, дополнительная работа (участок b – a – b” – b) от продолженного расширения газов достигается в газовой турбине. Благодаря высокой частоте вращения турбины, её габариты ничтожны, по сравнению с поршневой частью, а потому можно говорить, что габариты двигателя (а реально – его поршневой части) остались на уровне V_a (вместо V_b). Итак, и работа цикла, и к. п. д. остались на уровне двигателя с продолженным расширением в поршневой части. В то же время возросло среднее давление цикла, благодаря уменьшению V_h = V_a – V_c. Полученную дополнительную работу желательно как - то использовать. Наиболее рациональный путь в этом направлении – осуществить привод компрессора от газовой турбины. Повысить плотность, а следовательно и массовый заряд воздухом цилиндра, т. е. осуществить наддув двигателя.

На рис. 2.7. цикл a’ – c – z – z’ – b’ – a’ осуществляется в поршневой части комбинированного двигателя. Сжатие заряда от давления в точке а до давления в точке a’ происходит в компрессоре. Его цикл – a – a’ – 2 – 1 – a. Работу для этого сжатия даёт газовая турбина, в которой реализуется цикл b’ – b – 1 – 3 – b’. Таким образом, отработавшие газы из поршневой части двигателя, эквивалентные по энергии теплоте Q₂ совершают в турбине некоторую работу, после чего выбрасываются в атмосферу (Q’₂). Работа газов газовой турбине (ГТ) начинается в точке b’, т. е. одновременно с началом выпуска газов из поршневой части двигателя, без каких – либо потерь. В реальном двигателе это достигается разделением выпускных трубопроводов от цилиндров, приближением входа турбины к выходу газов из цилиндра, сохранением малого объёма трубопроводов, чтобы в них не происходило расширения газов, снижения давления. Такой принцип наддува называют импульсным наддувом. Т. е. при его реализации стремятся использовать импульсы давления в выпускном трубопроводе, которые образуются в процесса выпуска ОГ.

В этом случае при неизменной работе L_t цикла с продолженным расширением (a – a’ - c – z – z’ – b’ – b – a) достигнуто уменьшение габаритов двигателя (до V_a’), уменьшение рабочего объёма до V_h, а значит – увеличение среднего давления цикла Р_t, причём, к. п. д. цикла сохранился на том же высоком уровне.

Таким образом, при высоком к. п. д., получаемом благодаря продолженному расширению газов, увеличения Р_t мы достигаем уменьшая V_h, что достигается благодаря увеличению давления сжатия в компрессоре, увеличению давления начала сжатия. (При этом степень сжатия в комбинированном двигателе сохраняется неизменной и равной e = V_a/V_c). Очевидно, что с увеличением потребной работы компрессора необходимо увеличивать работу, производимую в ГТ. Это достигается увеличением давления начала поступления газов в ГТ, т. е. увеличением Р_b’. (Рис. 2.8.).

Рис. 2.8. Цикл комбинированного двигателя с газотурбинным импульсным наддувом и силовой газовой турбиной.

В этих условиях ГТ развивает работы уже больше, чем необходимо для компрессора, а следовательно часть этой работы можно использовать, передавая её на потребитель совместно с работой, осуществляемой в поршневой части двигателя. ГТ в этом случае становится силовой турбиной, через какой – то редуктор, муфту, передающей полезную работу на вал дизеля и на потребитель. Комбинированный двигатель такого типа называют турбокомпаундным. В турбокомпаундном двигателе, схема которого показана на рис. 2.9, вал отбора мощности дизеля связан с валом силовой газовой турбины через редуктор, понижающий частоту вращения от уровня частоты газовой турбины до уровня частоты вала дизеля и потребителя. Потребителем на схеме является винт судна. Отработавшие газы поступают на лопатки турбины с давлением Р_b’ а отводятся, согласно схеме рабочего цикла, при давлении Р_о. В компрессор воздух поступает с давлением Р_о, а в дизель – с давлением наддува Р_a’.

Рис. 2.9. Схема комбинированного двигателя с силовой газовой турбиной (турбокомпаундный двигатель).

При создании такого реального двигателя особую конструктивную сложность представляет редуктор, который должен быть одновременно гасителем крутильных колебаний, передаваемых от коленчатого вала дизеля на вал газовой турбины.

Турбокомпаундный двигатель - это именно комбинированный двигатель, а не комбинированная силовая установка, т. к. в нём единый рабочий цикл осуществляется с единым рабочим телом. В комбинированной силовой установке, содержащей дизель, связанный через редуктор с газовой турбиной, в поршневой машине осуществляется один цикл, с одним рабочим телом, а в ГТ – другой цикл, с другим рабочим телом.

Представляет интерес, до какого же уровня можно повышать давление Р_b’и следовательно работу ГТ, а следовательно одновременно увеличивать среднее давление цикла, к чему мы и стремимся. Представим себе, что на рис. 2.8. показан цикл комбинированного двигателя, у которого работа цикла поршневой машины (a’ – c – z – z’ – b’ – a’) тратится полностью на собственные механические потери, на привод вспомогательных механизмов двигателя, а полезная работа снимается с вала силовой ГТ. В этом случае поршневая машина превратилась в генератор газа для газовой турбины. Поршневую машину в таком случае выполняют в виде двухтактного двигателя с противоположно движущимися поршнями. Коленчатый вал у двигателя отсутствует, так как мощность снимается с вала газовой турбины. Двигатель называют СПГГ – свободнопоршневой генератор газа. Как показано на рис. 2.10, двухтактный дизель с противоположно движущимися поршнями связан с поршнями компрессоров, размещённых по внешним сторонам цилиндров дизеля. Поршневые компрессора всасывают воздух при давлении Р_о и нагнетают его в цилиндры дизеля через впускной коллектор и впускные окна под давлением Р_a’. Все отработавшие газы под давлением Р_b’ поступают на лопатки силовой газовой турбины, которая и производит полезную работу, передаваемую на потребитель энергии, в данном случае – винт корабля. Поршневые компрессора имеют дополнительную функцию: воздух, сжатый в их периферийных полостях, необходим для осуществления такта сжатия в цилиндрах дизеля. На схеме не показан необходимый для такого двигателя механизм синхронизации движения поршней. Он представляет собой зубчатые рейки, связанные с поршнями и находящиеся в зацеплении с общим для них зубчатым колесом.

Рис. 2.10. Схема комбинированного двигателя, содержащего свободно – поршневой генератор газа (СПГГ) и силовую газовую турбину.

Последнее является единственным вращающимся элементом дизеля, а от него осуществляется привод кулачкового вала топливного насоса высокого давления (ТНВД). Двигатель такого типа нашёл практическое применение в качестве электрогенераторных установок, а также в качестве силовых установок корабельного назначения (силовая установка фрегата французского производства) (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Разрез свободно – поршневого генератора газа типа GS34 фирмы SEME.

На рисунке обозначено: 1 – корпус СПГГ, 2 – корпус и ресивер компрессора, 3 - торцевая демпфирующая полость компрессора, 4 – поршень компрессора, 5 – цилиндр дизеля, 6, 7 – узел всасывающих и нагнетательных клапанов компрессоров, 8 – зубчатые рейки - синхронизаторы движения поршней и привод шестерни привода ТНВД, 9 – подвод масла охлаждения поршней, 11 – уплотнение, 12 - привод и регулятор ТНВД, 13 – ТНВД.

Достоинством установки является низкая шумность, благодаря отсутствию вращающихся неуравновешенных масс, высокая удельная мощность. Крутящий момент на выходном валу возрастает в 2,5 раза при снижении n от номинала до минимума. Расход топлива ниже, чем у UNE? Но выше, чем у форсированного дизеля. Преимуществом является единый типоразмер СПГГ для широкого диапазона мощностей. Массо – габаритные показатели меньше, чем у малооборотных дизелей. Возможно подключение нескольких СПГГ к одноу ГТ постоянного давления. Итак, по к. п. д. теоретически ожидавшегося высокого результата получено не было. Гидравлические, тепловые потери в линиях передачи газа, на лопатках газовой турбины и т. д. не позволили поднять эффективный к. п. д. до ожидавшегося уровня. В настоящее время построены электростанции мощностью 25000 кВт с 34 СПГГ. (Сейчас интерес к таким установкам снизился, так как появились новые разработки дизелей с повышенной удельной мощностью).

Газотурбинный импульсный наддув обеспечивает наиболее эффективное использование энергии выхлопных газов в газовой турбине. Он применим для сравнительно крупных двигателей. Для малоразмерных, высокооборотных ДВС, сравнительно дешёвых двигателей применяют более простую систему наддува при постоянном давлении. В этом случае не требуется разделять выпускные трубопроводы и сохранять их малые объёмы. Выхлоп от всех цилиндров осуществляют в общий коллектор большого объёма, где газ снижает скорость, его давление усредняется и остаётся постоянным.

Дата добавления: 2014-12-26