محرك توربيني مركب

المحرك التوربيني المركب هو محرك ترددي يستخدم توربينًا لاستعادة الطاقة من غازات العادم وإعادتها كطاقة ميكانيكية إلى المحرك. وبدلًا من استخدام هذه الطاقة لتشغيل شاحن توربيني ، كما هو الحال في العديد من محركات الطائرات عالية القدرة ، تُنقل الطاقة المستعادة ميكانيكيًا إلى عمود المرفق لزيادة إجمالي الطاقة التي يُنتجها المحرك. ومن الأمثلة البارزة على الطائرات طائرة رايت آر-3350 دوبلكس-سايكلون وطائرة نابيير نوماد .

بما أن عملية الاستعادة هذه لا تزيد من استهلاك الوقود ، فإنها تُسهم في خفض معدل استهلاك الوقود النوعي ، أي نسبة استهلاك الوقود إلى الطاقة. ^{[ 1 ]} استُخدمت تقنية التوربو المركب في الطائرات التجارية وما شابهها من مهام طويلة المدى والتحمل قبل ظهور محركات التوربينات النفاثة . ومن الأمثلة على استخدام تقنية الإعصار المزدوج طائرات دوغلاس دي سي-7 ، ولوكهيد إل-1049 سوبر كونستليشن ، ولوكهيد إل-1649 ستارلاينر ، بينما لم تُستخدم تصاميم أخرى في الإنتاج التجاري.

تُنتج معظم محركات المكابس عادمًا ساخنًا لا يزال يحتوي على قدر كبير من الطاقة غير المُستغلة التي يُمكن استعادتها لأداء وظائف مفيدة. في محرك التوربو المركب، يستخلص التوربين جزءًا من هذه الطاقة من تيار العادم ويُعيد ضخها ميكانيكيًا إلى المحرك، مما يزيد من قدرة المحرك، وفي بعض التطبيقات، يُقلل من استهلاك الوقود . بدلًا من استخدام الطاقة المُستعادة لتشغيل الشاحن التوربيني فقط ، يستخدمها محرك التوربو المركب لتعزيز قدرة المحرك نفسه.

في أحد تصميمات الطائرات المهمة، تم تحقيق الاحتراق التوربيني المركب باستخدام توربينات تفريغ لاستعادة الطاقة من نبضات غاز العادم وإعادتها إلى عمود المرفق . استُخدم هذا النظام في محرك رايت آر-3350 ثنائي الإعصار ، حيث قامت توربيناته الثلاث، التي يُدار كل منها بواسطة عادم الأسطوانات الست، بتغذية الطاقة المستعادة إلى عمود المرفق عبر أعمدة، وتروس مخروطية، ووصلات هيدروليكية. ^{[ 2 ]}

استخدمت محركات التوربو المركبة الأخرى توربين عادم منفصل لاستعادة الطاقة من تدفق عادم المحرك وإعادة الطاقة الفائضة ميكانيكيًا إلى عمود المرفق . استُخدم هذا الترتيب في محرك نابيير نوماد ، حيث كانت غازات العادم تُشغّل توربينًا محوريًا ثلاثي المراحل مثبتًا في الخلف، ومتصلًا بالضاغط، ومن خلال وصلة سائلة متغيرة السرعة، بعمود المرفق؛ عند القدرة المنخفضة، كان عمود المرفق يُشغّل الضاغط، بينما عند القدرة العالية، كان يتم إعادة توجيه فائض طاقة التوربين إلى عمود المرفق. ^{[ 3 ]}

بدأت الأعمال المبكرة على توربينات استعادة طاقة العادم في أربعينيات القرن العشرين. ^{[ 4 ]} وبحلول خمسينيات القرن العشرين، أصبحت توربينات التفريغ سمة مميزة للجيل الأخير من طائرات الركاب الأمريكية ذات المحركات المكبسية طويلة المدى، وخاصة تلك التي تعمل بمحركات رايت آر-3350 التوربينية المركبة. ^{[ 5 ]}

كان محرك رولز رويس كريسي من أوائل محركات الطائرات التي خضعت للدراسة باستخدام توربين لاستعادة طاقة العادم. يستقبل توربين موصول بمؤخرة عمود المرفق غازات العادم من مشعبات العادم الأربعة، موفراً طاقة كافية للتغلب على استهلاك الشاحن التوربيني ومساعدة عمود المرفق. وقد أظهر هذا التصميم ميزة في توفير الوقود تتراوح بين 15 و35% مقارنةً بمحرك ميرلين ، وذلك تبعاً للحمولة والارتفاع. ^{[ 6 ]}

استُخدم نظام التوربو المركب في العديد من محركات الطائرات بعد الحرب العالمية الثانية ، بما في ذلك محرك نابيير نوماد ^{[ 7 ] [ 8 ]} ومحرك رايت R-3350 ^{[ 9 ] [ 10 ]} . وذكرت مصادر رايت أن نظام العادم الكامل لمحرك رايت R-3350 ذي نظام التوربو المركب ثنائي الإعصار كان يُعادل نظام عادم نفاث مُصمم جيدًا من حيث تأثيره على تشغيل المحرك. فقرب نهاية شوط العادم، انخفض ضغط العادم إلى ما دون الضغط الجوي، بدلًا من توليد ضغط عكسي ضار ، مما ساعد على عملية التخلص من الغازات العادمة. وفي الوقت نفسه، استعاد نظام التوربو المركب حوالي 240 حصانًا (180 كيلوواط) عند سرعات الطيران العادية، وحوالي 550 حصانًا (410 كيلوواط) عند الإقلاع، مقارنةً بمحرك R-3350 مماثل غير مزود بنظام التوربو المركب. تم تصنيع نسخ توربينية مركبة من محركات نابيير ديلتيك ، ورولز رويس كريسي ، وأليسون V-1710 ، لكن لم يتطور أي منها إلى ما بعد مرحلة النموذج الأولي. كما تم اقتراح محرك توربيني مركب من رولز رويس جريفون ، إلا أنه ظل مشروعًا نظريًا لم يُنفذ. وفي وقت لاحق، حلت المحركات التوربينية المروحية والنفاثات محل المحركات التوربينية المركبة .    

أدخلت بعض شركات تصنيع محركات الديزل الحديثة للشاحنات الثقيلة تقنية الشحن التوربيني المركب في تصاميمها. ومن الأمثلة على ذلك محرك فولفو D13TC ، ومحرك ديترويت ديزل DD15، ومحرك سكانيا DTC1101 سعة 11 لترًا المزود بتقنية الشحن التوربيني المركب، والمستخدم في شاحنة R113.400 . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

ابتداءً من موسم 2014، اعتمدت الفورمولا 1 وحدات طاقة هجينة سداسية الأسطوانات سعة 1.6 لتر مزودة بشاحن توربيني. ^{[ 13 ]} تضمنت هذه الوحدات مولدًا كهربائيًا حراريًا (MGU-H)، والذي عرّفه الاتحاد الدولي للسيارات (FIA) بأنه آلة كهربائية متصلة بتوربين العادم لنظام الشحن بالضغط، ومولدًا كهربائيًا حركيًا (MGU-K) متصلًا بنظام نقل الحركة كجزء من نظام استعادة الطاقة. ^{[ 14 ]} استعادت وحدة MGU-H الطاقة من الشاحن التوربيني الذي يعمل بالعادم على شكل طاقة كهربائية، والتي يمكن تخزينها في وحدة تخزين الطاقة، أو استخدامها لتشغيل وحدة MGU-K، أو للتحكم في سرعة الشاحن التوربيني وتقليل تأخره. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

• ديترويت ديزل
  • DD15 ^{[ 17 ]}
• نابيير
  • نابيير نوماد : استخدم نوماد الأول مسارات طاقة منفصلة ومستقلة ميكانيكيًا للمكبس والتوربين لتشغيل مراوح تدور في اتجاهين متعاكسين، بينما قام نوماد الثاني بربط نظام التوربين/الضاغط بعمود المرفق/محرك المروحة الرئيسي وكان هو النسخة الحقيقية من التوربين المركب.
• شركة رايت للطيران
  • محرك رايت R-3350 : كان الإصدار التوربيني المركب هو محرك الطائرات التوربيني المركب الوحيد الذي شهد إنتاجًا ضخمًا واستخدامًا واسع النطاق؛ كما كان المحرك التوربيني المركب الوحيد المنتج بكميات كبيرة في العالم الذي يستخدم توربينات استعادة الطاقة بسرعة الدفع، والتي استعادت طاقة العادم دون توليد ضغط عكسي وأنتجت ما يقرب من 20% طاقة إجمالية إضافية عند عمود المرفق. ^{[ 18 ]}
• دوبرينين
  • دوبرينين VD-4K
• زفيزدا
  • زفيزدا M503 : محرك ديزل بحري سوفيتي الصنع مكون من 42 أسطوانة يستخدم في قارب الصواريخ من فئة أوسا . ^{[ 19 ]}
  • M504 : محرك ديزل بحري سوفيتي الصنع مكون من 56 أسطوانة. ^{[ 19 ]}
  • M507 : محرك ديزل بحري سوفيتي الصنع مكون من 112 أسطوانة، تم تشكيله عن طريق ربط محركين من طراز M504 من خلال علبة تروس مشتركة. ^{[ 19 ]}
• فيراري
  • فيراري 059/3 : وحدة طاقة هجينة من نوع V6 سعة 1.6 لتر مزودة بشاحن توربيني لاستعادة طاقة العادم MGU-H، وتستخدم في سيارة فيراري F14 T. ^{[ 20 ] [ 21 ]}
• رينو
  • رينو إنرجي F1-2014 : وحدة طاقة هجينة للفورمولا 1 سعة 1.6 لتر مزودة بشاحن توربيني V6 مع نظام استعادة طاقة العادم MGU-H. ^{[ 20 ] [ 22 ]}
• مرسيدس بنز
  • مرسيدس-بنز PU106A الهجينة : وحدة طاقة هجينة من طراز الفورمولا 1، سعة 1.6 لتر، مزودة بشاحن توربيني، ومحرك V6، ونظام استعادة طاقة العادم MGU-H. ^{[ 20 ] [ 23 ]}
• هوندا
  • هوندا RA615H : وحدة طاقة هجينة من نوع V6 سعة 1.6 لتر مزودة بشاحن توربيني واستعادة طاقة العادم MGU-H، تستخدم في سيارة ماكلارين هوندا MP4-30. ^{[ 20 ] [ 24 ]}
• فولفو
  • D13TC

• محرك نفاث
• توربوستيرر
• التوليد المشترك للطاقة
• الشاحن التوربيني
• توربينات الغاز
• مركب توربيني كهربائي