Комбинированными двигателями называются ДВС, состоящие из компрессионных и расширительных машин (поршневого двигателя, газовых турбин и компрессоров) и устройств для подвода и отвода теплоты (охладителей, теплообменников, камер сгорания), объединенных общим рабочим телом, совершающим единый рабочий цикл. Рабочий цикл обычного поршневого двигателя рассматривается как частный случай цикла комбинированного двигателя, состоящего из одного поршневого двигателя.
Комбинированные двигатели по условиям работы турбины разделяют на двигатели с импульсной турбиной и с турбиной постоянного давления. Комби-двигатели с импульсной турбиной выполняют с выпускным трубопроводом таких размеров, чтобы амплитуда колебания давления газа на входе в турбину получилась наибольшей, и скорость газа в проточной части турбины изменялась в широких пределах. Тем самым стремятся уменьшить до минимума потери работоспособности при перетекании газа из цилиндра в турбину. В двигателях с турбиной постоянного давления амплитуды колебания давления перед турбиной невелики в результате применения выпускного коллектора большого сечения.
В обратимых ТД-циклах комби-двигателей подвод теплоты к рабочему телу от горячего источника принимают, как и в циклах поршневых двигателей, в соответствии со способом воспламенения топлива: либо при v=const и р=const, либо при v=const, либо при р=const. Давление в выпускном коллекторе за рабочим колесом турбины комби-двигателя незначительно превышает атмосферное, а амплитуда пульсаций давления невелика, поэтому процесс отвода теплоты от рабочего тела к холодному источнику принимают изобарным.
Цикл комби-Д. со сгоранием при p=const без охладителя. По мере повышения степени сжатия в компрессоре возрастает давление в конце сжатия. При ограничении максимального давления в цилиндре (рис.6) термический КПД данного цикла
ξt = 1 – 1/εк-1.
Такой же вид имеет обратимый цикл ГТД с камерой сгорания постоянного давления.
Цикл комби-Д со сгоранием при v=const (рис.7) имеет такой же вид, как цикл ГТД со сгоранием при v=const.
Сравнение циклов поршневого и комбинированного двигателей. Средняя температура в процессе подвода теплоты в поршневых ДВС выше, чем в тепловых двигателях других типов, например, газо- и паротурбинных. Поэтому КПД поршневого ДВС выше КПД других тепловых машин. В цикле поршневого двигателя производится работа, эквивалентная в ТS-диаграмме площади замкнутого контура. Она меньше работы цикла комби-Д. с аналогичным законом подвода теплоты и равным ее количеством на величину, эквивалентную площади а1bga1. Из сравнения двух циклов, отличающихся только процессом отвода теплоты холодному источнику, становится очевидным преимущество циклов с отводом теплоты в изобарном процессе: ТСИ в изобарном процессе отвода теплоты ниже, чем в изохорном, и следовательно, отданная холодному источнику теплота меньше. Термический КПД цикла комбинированного двигателя согласно (3) выше КПД поршневого двигателя.
Цикл комби-Д с импульсной турбиной (рис.4а). В обратимом ТД-цикле комби-Д с импульсной турбиной потерями при перетекании газа из цилиндра в турбину пренебрегают, и обратимый процесс расширения в турбине bg является продолжением адиабатного процесса zb расширения в цилиндре. Цикл состоит из адиабатного процесса сжатия в компрессоре a1a и в цилиндре ac, процессов изохорного cz1 и изобарного z1z подвода теплоты, адиабатных процессов расширения в цилиндре zb и в турбине bg и изобарного процесса отвода теплоты ga1. Цикл комби-Д с импульсной турбиной можно представить состоящим из цикла поршневого двигателя acz1zba и цикла ГТД с камерой сгорания постоянного объема a1abga1. Термодинамический анализ циклов комби-Д. с импульсной турбиной с изохорным и изобарным подводом теплоты позволяет сделать практически очень важный вывод: при ограничении максимального давления наибольший термический КПД имеет цикл двигателя с изобарным подводом теплоты. При изобарном процессе подвода теплоты ТСИ выше, чем при изохорном. При этом увеличивается работа и КПД цикла.
Цикл комби-Д. с постоянным давлением перед турбиной (рис.9). В обратимом ТД-цикле с постоянным давлением перед турбиной давление на входе в турбину принимают постоянным. В начале выпуска давление в цилиндре в несколько раз выше давления перед турбиной. В процессе истечения газа из цилиндра в выпускной коллектор газ расширяется до давления в коллекторе, а полезная работа не производится, происходит необратимый процесс дросселирования, который сопровождается диссипацией энергии. Потеря работоспособности рабочего тела в процессе дросселирования связана с диссипацией энергии, которая переходит в теплоту. В результате в обратимом ТД-цикле комби-Д. с турбиной постоянного давления работа меньше, а термический КПД ниже, чем в цикле с импульсной турбиной.
В обратимом цикле комби-Д с постоянным давлением перед турбиной необратимый процесс дросселирования заменяют двумя обратимыми процессами: изохорным процессом ba с отводом теплоты и изобарным процессом фа с подводом теплоты. При этом рассматриваемый цикл можно представить состоящим из адиабатных процессов сжатия в компрессоре a1a и в цилиндре ac, изохорного cz1 и изобарного z1z процессов подвода теплоты от горячего источника к рабочему телу в цилиндре, адиабатных процессов расширения zb в цилиндре и fg расширения в турбине, изохорного процесса ba с отводом теплоты и изобарного процесса af с подводом теплоты, которая передается от горячего источника к рабочему телу в турбине, и изобарного процесса g1a отвода теплоты от рабочего тела холодному источнику.
Цикл комби-Д с промежуточным охлаждением. Охлаждение воздуха при сжатии применяется в большинстве комби-Д. как с импульсной турбиной, так и с турбиной постоянного давления. Охладитель воздуха устанавливают после компрессора (рис.5), а если применяют две ступени сжатия в компрессоре, то охладителей может быть 1 или 2. Цикл с промежуточным охлаждением воздуха и 1-ступенчатым компрессором отличается от цикла без охлаждения наличием изобарного процесса отдачи теплоты охладителю. Остальные процессы в цикле с охлаждением такие же, как и в цикле без охлаждения.
Температура воздуха после охладителя в реальных двигателях всегда выше температуры воздуха в начале сжатия в компрессоре (близкой к Тн), так как теплообмен происходит при конечном значении температурного напора. Поэтому степень охлаждения
σ = (Тк – Та)/(Тк – Та1),
равная отношению снижения температуры воздуха в охладителе к приращению температуры при сжатии в компрессоре, в реальных двигателях всегда меньше единицы. Обратимый процесс со степенью охлаждения, равной единице, можно представить, предположив температурный напор бесконечно малым. Диаграмма цикла (рис.5) построена при σ=1.
В цикле a1kaczga1 двигателя с охладителем после компрессора (рис.14) температура начала сжатия в цилиндре (точка а) ниже, чем в точке а1 цикла а1с1z1g1a1 двигателя без охладителя. Поскольку давление в точках а и а1 одинаково, плотность и масса рабочего тела в цилиндре с объемом Vа в цикле с охладителем больше. При условии q1=const в цикле двигателя с охладителем количество подведенной теплоты будет больше, так как Q1=q1.G. пропорционально подведенной теплоте увеличивается и произведенная работа Lt=Q1.ξt.
В цикле двигателя с охладителем ниже температура в начале процесса сжатия в цилиндре и соответственно ниже максимальная температура цикла и средняя температура в процессе подвода теплоты и, что очень важно, меньше тепловая напряженность деталей.
Чтобы определить, как влияет охлаждение рабочего тела при сжатии на термический КПД цикла, воспользуемся TS-диаграммой и сравним два цикла, построенные при условии q1=const и pmax=const. Представим цикл a1kaczga1 с охлаждением после компрессора, составленным из двух циклов: a1a1c1z1ga1 и acc1ka. Как показывает диаграмма, суммарное количество подведенной и отведенной теплоты и сумма работы двух вспомогательных циклов и исходного цикла равны. Термические КПД цикла a1c1zga1 и цикла a1a1c1z1g1a1 без охлаждения равны, так как КПД цикла, образованного двумя изобарами (эквидистантными в обратимом цикле) и адиабатами не зависит от количества подведенной теплоты. Термический КПД такого цикла определяется отношением температур в начале и в конце адиабаты, т.е.
ξt = 1 – T1a/Tc1 = 1 – Tg/Tz = 1 – T1g1/Tz1.
Во вспомогательном цикле acc1ka отношение температур Та/Tc = Ta1/Tc1 < Ta1/Tc1. Поэтому КПД этого цикла меньше КПД цикла двигателя без охлаждения, следовательно, КПД цикла двигателя с охлаждением также меньше КПД цикла двигателя без охлаждения, но больше КПД вспомогательного цикла.
Таким образом, термический КПД обратимого цикла двигателя с охлаждением после компрессора меньше КПД цикла двигателя без охлаждения. Объясняется это тем, что ТСИ в процессе подвода теплоты в цикле двигателя с охлаждением ниже.