Турбокомпаундный двигатель — это поршневой двигатель , который использует турбину для рекуперации энергии из выхлопных газов. Вместо того, чтобы использовать эту энергию для приведения в действие турбокомпрессора, как это происходит во многих мощных авиационных двигателях , энергия вместо этого направляется на выходной вал для увеличения общей мощности, выдаваемой двигателем. Турбина обычно механически соединена с коленчатым валом , как на Wright R-3350 Duplex-Cyclone , но также были исследованы электрические и гидравлические системы рекуперации энергии.
Поскольку этот процесс восстановления не увеличивает расход топлива , он имеет эффект снижения удельного расхода топлива , отношения использования топлива к мощности. [1] Турбокомпаундирование использовалось для коммерческих авиалайнеров и аналогичных дальнемагистральных, долговременных ролей до появления турбореактивных двигателей. Примеры использования Duplex-Cyclone включают Douglas DC-7B и Lockheed L-1049 Super Constellation , в то время как другие конструкции не увидели производственного использования.
Большинство поршневых двигателей производят горячий выхлоп, который все еще содержит значительную неразвитую энергию , которая могла бы быть использована для движения, если бы была извлечена. Турбина часто используется для извлечения энергии из такого потока газов. Обычная газовая турбина питается воздухом высокого давления и высокой скорости, извлекает из него энергию и выходит в виде потока с более низким давлением и более медленным течением. Это действие имеет побочный эффект увеличения давления на входе, что делает его нежелательным для использования с поршневым двигателем, поскольку оно увеличивает противодавление в двигателе, что уменьшает продувку выхлопных газов из цилиндров и, таким образом, снижает эффективность поршневой части составного двигателя. [2]
В конце 1930-х и начале 1940-х годов одним из решений этой проблемы было введение выпускных коллекторов «jet stack». Это были просто короткие секции металлической трубы, прикрепленные к выпускным отверстиям, сформированные таким образом, чтобы они взаимодействовали с потоком воздуха, создавая струю воздуха, которая создавала прямую тягу. Другим новшеством Второй мировой войны стало использование эффекта Мередита для рекуперации тепла из системы радиатора для обеспечения дополнительной тяги.
К концу войны развитие турбин значительно улучшилось и привело к появлению новой конструкции турбины, известной как «турбина продувки» или «турбина рекуперации мощности». Эта конструкция извлекает энергию из импульса движущегося выхлопа, но не увеличивает заметно противодавление. Это означает, что она не имеет нежелательных эффектов обычных конструкций при подключении к выхлопу поршневого двигателя, и ряд производителей начали изучать эту конструкцию.
Первым авиационным двигателем, который был испытан с турбиной рекуперации мощности, был Rolls-Royce Crecy . Он использовался в основном для привода зубчатого центробежного нагнетателя, хотя он также был соединен с коленчатым валом и давал дополнительную экономию топлива от 15 до 35 процентов. [3]
Турбины с продувкой стали относительно обычным явлением в конце и послевоенную эпоху, особенно для двигателей, предназначенных для длительных полетов над водой. Турбокомпаундирование использовалось на нескольких авиационных двигателях после Второй мировой войны , включая Napier Nomad [4] [5] и Wright R-3350 . [6] [7] Ограничение выхлопа, создаваемое тремя турбинами с продувкой, используемыми на Wright R-3350, равнозначно хорошо спроектированной системе реактивной тяги, используемой на обычном радиальном двигателе , при этом восстанавливая около 550 л. с. (410 кВт) при мощности METO (максимальная непрерывная, за исключением взлетной). [2] В случае R-3350 бригады по техническому обслуживанию иногда называли турбину турбиной восстановления деталей из-за ее отрицательного влияния на надежность двигателя. Были построены версии Napier Deltic , Rolls-Royce Crecy , Rolls-Royce Griffon и Allison V-1710 с турбокомпаундом, но ни одна из них не вышла за рамки стадии прототипа. Было обнаружено, что во многих случаях мощность, вырабатываемая простой турбиной, приближалась к мощности чрезвычайно сложного и требующего интенсивного обслуживания поршневого двигателя, к которому она была присоединена. В результате турбокомпаундные авиационные двигатели вскоре были вытеснены турбовинтовыми и турбореактивными двигателями .
Некоторые современные производители дизельных двигателей для тяжелых грузовиков включили турбокомпаундирование в свои конструкции. Примерами служат Detroit Diesel DD15 [8] [9] и Scania [10], выпускаемые с 1991 года. [11] [ необходимо разъяснение ]
Начиная с сезона 2014 года, Формула-1 перешла на новую формулу 1,6-литрового турбированного V6 , которая использует турбокомпаундирование. Двигатели используют один турбонагнетатель, который соединен с электродвигателем/генератором, называемым MGU-H. MGU-H использует турбину для привода генератора, преобразуя отработанное тепло от выхлопных газов в электрическую энергию, которая либо хранится в аккумуляторе, либо напрямую передается на электродвигатель в трансмиссии автомобиля.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )В лучшие времена Connie часто называли лучшим в мире трехмоторным самолетом
Новая версия 12-литрового турбокомпаундного двигателя Scania мощностью 440 л.с. подходит для альпийской местности, а также для обычных европейских дальних перевозок и строительных работ.