1. Энергетический баланс турбокомпрессора

При газотурбинном наддуве возможны два основных способа использования энергии.

В первом способе энергия, потребляемая компрессором, равна энергии, вырабатываемой турбиной. В этом случае турбокомпрессор представляет собой автономный агрегат, связанный с двигателем только газовой связью. Такая схема обеспечивает высокие экономические показатели при максимальном упрощении конструкции и поэтому является наиболее распространённой.

При использовании второго способа энергия, вырабатываемая турбиной, не равна энергии, потребляемой компрессором. Небаланс энергии передаётся от двигателя к турбокомпрессору (или наоборот) за счёт применения механической связи ротора турбокомпрессора с коленчатым валом двигателя, что усложняет конструкцию последнего. Эта схема применяется при наддуве двухтактных двигателей в тех случаях, когда не удаётся обеспечить баланс энергии турбины и компрессора, не ухудшая существенно продувку и наполнение цилиндра. Эта схема также применяется в тех случаях, когда необходимо передать избыточную энергию от турбины к двигателю при высоких давлениях наддува и высоких температурах газов перед турбиной. Механическая связь может быть использована для обеспечения высокой приемистости за счёт передачи кинетической энергии ротора турбокомпрессора к валу двигателя на переходных режимах.

Полная располагаемая энергия выпускных газов двигателя складывается из энергии Е2 – расширение газов от давления в цилиндре Рв до давления газов перед турбиной Рт (площадь bca, рис. 1) и энергии расширения газов в турбине Е2 от давления Рт до давления Ро (площадь e f  i g e) . Применяют два способа использования энергии выпускных газов двигателя: работа турбин на газах постоянного давления (Рт = const) и работа на газах переменного давления (Рт = var).

При работе турбины по первому способу (Рт = const) выпускные газы из всех цилиндров двигателя поступают в один общий выпускной коллектор, а оттуда идут в газовую турбину, которая обычно устанавливается в конце выпускного коллектора. Вследствие значительной длины и объёма выпускного тракта при этом, а отсюда и вследствие значительного сопротивления потоку выпускных газов, большая часть кинетической энергии их Е1 теряется. Превращение кинетической энергии газов, вызванное указанными причинами, в тепловую, сопровождается повышением температуры газов перед турбиной, и поэтому их объём увеличивается, как это показано на рис. 1, на величину V ( от точки e до точки е ).

При работе турбины на газах переменного давления (Рт = var) выпускная система разбивается на несколько ветвей по возможности малой длины и объёма. Газы по этим ветвям подводятся к одной или нескольким турбинам, расположенным в непосредственной близости к цилиндрам, на газах которых они работают. При такой системе выпуска удаётся использовать не только энергию газов постоянного давления Е2 , но и значительную часть энергии Е1. Турбины, работающие на газах переменного давления, называется “импульсным”, так как они используют волны давления (импульсы), возникающие в выпускном тракте.

Для количественной оценки срабатываемой энергии в турбине переменного давления применяют коэффициент

Е1 + Е2 Е1

КЕ = = I +

Е2 Е2

Зависимость КЕ от давления Рк при использовании 50% энергии Е1 при температуре газов перед турбиной t Т = 350° показана на рис. 2. Приведённая зависимость показывает, что использование волн давления имеет существенное значение только при малых давлениях наддува (до Рк = 0,15 МПа).

Таким образом, можно сделать вывод, что при высоких степенях наддува в целях упрощения системы выпуска целесообразно применять способ работы турбины при Рт = const . При малых степенях наддува и при наличии возможности группировать выпуск по цилиндрам для каждой турбины целесообразнее применять способ работы с использованием энергии волн давления.

Для обеспечения более равномерного потока газов в интервале выпуска в один трубопровод меньше 240° п.к.в. четырёхтактных дизелей применяется преобразователь импульсов.

Меньшая продолжительность процессов выпусков и продувки в двухтактных двигателях, отсутствие “насосных ходов” создают определённые трудности применения газотурбинного наддува, т.е. наддува, создаваемого только “свободновращающимся” газотурбонагнетателем. К таким трудностям относится обеспечение работы двигателя на малых оборотах, т.е. на долевых нагрузках продувочно-наддувочным воздухом, так как выхлопные газы, смешиваясь с воздухом, обладают минимальной энергией.

Короткий выпускной тракт, постановка газовой турбины в непосредственной близости к цилиндру и эффективное использование кинетической энергии выпускных газов позволили создать судовые двухтактные дизели с газотурбинным наддувом, с умеренной степенью наддува 1,3 – 1,5 и имеющие прямоточно-клапанную продувку.