Compound engine


A compound engine is an engine that has more than one stage for recovering energy from the same working fluid, with the exhaust from the first stage passing through the second stage, and in some cases then on to another subsequent stage or even stages. Originally invented as a means of making steam engines more efficient, the compounding of engines by use of several stages has also been used on internal combustion engines and continues to have niche markets there.
The stages of a compound engine may be either of differing or of similar technologies, for example:
- In a turbo-compound engine, the exhaust gas from the cylinders passes through a turbine, the two stages being dissimilar.
- In a compound steam locomotive, the steam passes from the high-pressure cylinder or cylinders to the low-pressure cylinder or cylinders, the two stages being similar.
- In a triple-expansion steam engine, the steam passes through three successive cylinders of increasing size and decreasing pressure. Such engines were the most common marine engines in the golden age of steam.
These examples and compound turbines are the main but not the only uses of compounding in engines, see below.
Terminology
A compound engine uses several stages to produce its output.
Not all engines that use multiple stages are called compound engines. In particular, if an engine uses a later stage purely to extract energy from the exhaust for some other purpose, and notably for turbo charging, is not called a compound engine. Similarly, proposed engines that use a free piston engine to drive a turbine would not be called compound engines, as only the second stage produces output power.
อย่างไรก็ตาม หากเครื่องยนต์เทอร์โบคอมพาวด์มีการอัดอากาศเพิ่มโดยการส่งกำลังจากเพลาบางส่วนกลับไปยังตัวอัดอากาศ เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์อากาศยานบางประเภท มันก็ยังคงเป็นเครื่องยนต์คอมพาวด์อยู่ดี การใช้คำว่า"อัดอากาศ"และ"เทอร์โบอัดอากาศ"มีการเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตเครื่องยนต์คอมพาวด์ Wright R-3350 Duplex-Cyclone ในขณะนั้นได้อธิบายว่าเป็นเครื่องยนต์เทอร์โบอัดอากาศอย่างไรก็ตาม มันเป็นเครื่องยนต์คอมพาวด์ และเครื่องยนต์ที่คล้ายกันที่ผลิตในปัจจุบันจะถูกเรียกว่า"อัดอากาศ"มากกว่า"เทอร์โบอัดอากาศ "
คำว่า"คอมพาวน์ดิง" นั้นมีความหมายที่กว้างกว่าคำว่า " เครื่องยนต์คอมพาวน์ดิง " เล็กน้อย กังหันคอม พาวน์ดิงขนาดใหญ่เป็นตัวอย่างหนึ่งของคอมพาวน์ดิง เช่นเดียวกับใบพัดหลายแถวที่ใช้ในกังหันก๊าซ หลายชนิด แต่โดยปกติแล้วจะไม่เรียกสิ่งเหล่านี้ว่าเครื่องยนต์คอมพาวน์ดิง ใบพัดหลายชุดในกังหันตัวเดียวอาจจะคิดได้ว่ามีหลักการคล้ายกับเครื่องยนต์ไอน้ำแบบไหลทางเดียวมากกว่าคอมพาวน์ดิง ต่างจากเครื่องยนต์ไอน้ำแบบไหลทางเดียวที่พบการใช้งานเฉพาะกลุ่มเท่านั้น กังหันแบบหลายแถวกลับมีการใช้งานจริงอย่างกว้างขวาง
เครื่องยนต์ที่ไม่ใช้ระบบการเร่งปฏิกิริยาแบบหลายจังหวะ เรียกว่าเครื่องยนต์แบบธรรมดาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของหัวรถจักรไอน้ำหรือเรียกให้แม่นยำยิ่งขึ้นว่าเครื่องยนต์ขยายตัวแบบธรรมดาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของ เครื่องยนต์ไอน้ำ สำหรับเรือเดินทะเล
อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าในกรณีของเครื่องจักรไอน้ำ ใดๆ คำว่า " เครื่องจักรแบบง่าย"อาจหมายถึงเครื่องจักรที่ไม่ใช้คอนเดนเซอร์ เพื่อสร้างแรงดันลบและเพิ่มประสิทธิภาพ การใช้คอนเดนเซอร์แยกต่างหากเพื่อจุดประสงค์นี้เป็นหนึ่งในคุณสมบัติสำคัญที่ทำให้ เครื่องจักรไอน้ำของวัตต์ ในปี 1765 แตกต่างจากเครื่องจักรไอน้ำของนิวโคเมนในปี 1712
ในกรณีของหัวรถจักรไอน้ำนั้นไม่มีความคลุมเครือใดๆ เกิดขึ้น เพราะในหัวรถจักรไอน้ำแบบควบแน่นนั้น คอนเดนเซอร์ไม่ได้มีไว้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ และอาจลดประสิทธิภาพลงด้วยซ้ำเพื่อประหยัดน้ำและลดการปล่อยมลพิษ ดังนั้น ตัวอย่างเช่น หัวรถจักร Metropolitan Railway รุ่น A Class จึงเป็นหัวรถจักร แบบธรรมดาในทุกแง่มุมแม้จะมีคอนเดนเซอร์ก็ตาม และคำว่า " เครื่องยนต์แบบธรรมดา"ที่ใช้กับหัวรถจักรไอน้ำในทางปฏิบัติมักหมายถึงเครื่องยนต์ที่ไม่ใช้ระบบคอมพาวด์ ไม่ว่าจะมีคอนเดนเซอร์หรือไม่ก็ตาม คำว่า " หัวรถจักรแบบขยายตัวธรรมดา"และ"เครื่องยนต์แบบขยายตัวธรรมดา"บางครั้งถูกนำมาใช้กับหัวรถจักรเพื่อขจัดความสับสนที่อาจเกิดขึ้น
ประวัติศาสตร์
ไอน้ำ
ตัวอย่างที่เก่าแก่ที่สุดของเครื่องยนต์แบบคอมปาวด์คือเครื่องยนต์ไอน้ำแบบคอมปาวด์ในปี ค.ศ. 1805 อาร์เธอร์ วูล์ฟได้จดสิทธิบัตรเครื่องยนต์คอมปาวด์แรงดันสูงของวูล์ฟซึ่งใช้หลักการนี้
การผสมถูกนำมาใช้โดยเฉพาะกับเครื่องยนต์ไอน้ำแบบอยู่กับที่เครื่องยนต์ไอน้ำสำหรับเรือและรถจักรไอน้ำ บางประเภท ตั้งแต่ช่วงปี 1850 ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ในทวีปยุโรป[ 1 ]
เครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบ สามขั้นตอนหรือแบบขยายตัวสามเท่าซึ่งมีกระบอกสูบสามกระบอกที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้นเรียงกัน ได้รับความนิยมอย่างมากใน การขับเคลื่อน เรือกลไฟ “ดร.” อเล็กซาน เดอร์ คาร์เนกี เคิร์กได้ทดลองติดตั้งเครื่องยนต์แบบขยายตัวสามเท่าเครื่องแรกของเขาในเรือชื่อPropontisในปี 1874 ในปี 1881 เคิร์กได้ติดตั้งเครื่องยนต์รุ่นปรับปรุงของเขาในเรือSS Aberdeenที่Clydesideประเทศสกอตแลนด์ [ 2 ]เรือลำนี้พิสูจน์ให้เห็นถึงข้อดีของกำลังและความประหยัดของเครื่องยนต์ใหม่นี้ ในการให้บริการเชิงพาณิชย์ระหว่างสหราชอาณาจักรและตะวันออกไกล[ 3 ] เรือรบลำแรกที่ติดตั้งเครื่องยนต์แบบนี้คือเรือรบสเปนDestructorซึ่งสร้างขึ้นที่ Clydeside เช่นกัน และเครื่องยนต์ประเภทนี้เครื่องแรกที่ใช้ในเรือของกองทัพเรืออังกฤษได้รับการออกแบบโดย J. W. Reed ซึ่งเป็นผู้สร้างหม้อไอน้ำแบบท่อน้ำ Reed ด้วย[ 4 ] [ 5 ]กองทัพเรือและเจ้าของเรือพาณิชย์อื่นๆ ก็เริ่มใช้ตามมาในไม่ช้า เครื่องยนต์แบบขยายตัวสี่ขั้นตอนหรือแบบขยายตัวสี่เท่าก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน
รถจักรไอน้ำมีหลายประเภท ทั้งแบบธรรมดาและแบบผสม โดยส่วนใหญ่แล้ว รถจักรที่สร้างมาแต่เดิมเป็นแบบผสมจะถูกดัดแปลงให้เป็นแบบธรรมดาเพื่อเพิ่มกำลังโดยแลกกับประสิทธิภาพที่ลดลง ตัวอย่างเช่น รถจักรคลาส NZR X ส่วนใหญ่ การดัดแปลงอื่นๆ เกี่ยวข้องกับการออกแบบรายละเอียดของระบบผสมใหม่ ตัวอย่างเช่น รถจักรแบบผสมหลายคันที่ออกแบบโดยAlfred de Glehnและล้ำสมัยในยุคนั้น ถูกดัดแปลงโดยAndré Chapelonให้ใช้ระบบที่เขาพัฒนาขึ้นในภายหลัง
การเผาไหม้ภายใน
เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบผสมบางชนิดได้รับการจดสิทธิบัตรแล้ว แต่ยังไม่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์มากนัก เครื่องยนต์เหล่านี้ใช้การจัดเรียงแบบสามกระบอกสูบ โดยกระบอกสูบแรงดันสูงสลับกันปล่อยไอเสียเข้าสู่กระบอกสูบแรงดันต่ำตรงกลาง
ตัวอย่างได้แก่: Deutz 1879, Forest-Gallice 1888, Connelly 1888, Diesel 1897, Bales 1897, Babled 1903, Butler 1904, Eisenhuth 1904–7, Abbot 1910 [ 6 ]แนวคิดนี้ได้รับการ "คิดค้นใหม่" และจดสิทธิบัตรเป็น เครื่องยนต์ห้าจังหวะในปี 2000 โดย Gerhard Schmitz ซึ่ง Ilmor ได้ทดลองใช้
เทอร์โบคอมพาวด์ได้รับการนำไปใช้กับเครื่องยนต์สันดาปภายในเครื่องยนต์เทอร์โบคอมพาวด์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะเครื่องยนต์อากาศยานทันทีหลังสงครามโลกครั้งที่สอง[ 7 ] [ 8 ]
เครื่องยนต์ดีเซลเทอร์โบคอมปาวนด์ยังคงใช้งานในรถบรรทุกและเครื่องจักรทางการเกษตร[ 9 ]
ตัวอย่าง

- เครื่องยนต์เทอร์โบคอมปาวด์
- เครื่องยนต์รถบรรทุกและเครื่องจักร
- เครื่องยนต์อากาศยาน
- เนเปียร์ โนแมด
- เครื่องยนต์ Wright R-3350 Duplex-Cycloneซึ่งผลิตทั้งแบบธรรมดาและแบบผสม และในรูปแบบผสมนั้นได้ใช้ขับเคลื่อนเครื่องบิน หลายลำหลัง สงครามโลกครั้งที่สอง รวมถึงเครื่องบิน Lockheed Constellation [ 7 ] [ 8 ]
- เครื่องยนต์อากาศยานDobrynin VD-4K
- เครื่องจักรไอน้ำแบบผสม
- หัวรถจักรแบบคอมปาวด์ (ดูเพิ่มเติมในหมวดหมู่: หัวรถจักรแบบคอมปาวด์ )
- เครื่องอัดอากาศแบบใช้ไอน้ำแบบครอสคอมพาวด์ เช่น Westinghouse 8 1/2" 150-D [ 10 ]ที่ใช้ในหัวรถจักรขนาดใหญ่ของอเมริกาหลายคัน
- เครื่องจักรลากจูงจำนวนมาก
- เครื่องยนต์ไอน้ำแบบลูกสูบส่วนใหญ่ สำหรับเรือเดินทะเล
- เรือเดินสมุทรชั้นโอลิมปิกทั้งสามลำรวมถึง เรือ อาร์เอ็มเอสไททานิค (ปี 1912) ติดตั้งเครื่องยนต์ไอน้ำ แบบขยายตัวสามเท่า จำนวน สองเครื่องเพื่อขับเคลื่อนใบพัดที่ปีก เครื่องยนต์เหล่านี้เป็นแบบทั่วไปของยุคนั้น ในเรือ ชั้น โอลิมปิก มีการเพิ่มกำลังอัดเพิ่มเติมโดยใช้ไอน้ำเสียจากเครื่องยนต์เหล่านี้ไปขับเคลื่อน กังหันไอน้ำแรงดันต่ำซึ่งขับเคลื่อนใบพัดกลางขนาดเล็กกว่า วิธีการนี้ริเริ่มโดยเรือเอสเอสลอเรนติก (ปี 1908 )
- ภาพตัดขวางของเครื่องยนต์ไอน้ำแบบขยายตัวสี่เท่า แสดงให้เห็นกระบอกสูบแบบทำงานสองทางสี่กระบอกที่มีขนาดเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ
- แผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องยนต์เรือแบบขยายตัวสามขั้นตอน
- ภาพตัดขวางแสดงการติดตั้งเครื่องยนต์ไอน้ำแบบขยายตัวสามขั้นตอนสำหรับเรือเดินทะเล ประมาณปี 1918
- เครื่องยนต์ไอน้ำแบบคอม พาวด์ ที่มีกระบอกสูบแรงดันสูงหนึ่งกระบอกและกระบอกสูบแรงดันต่ำขนาดใหญ่กว่าอีกหนึ่งกระบอกวางเคียงข้างกันบนหม้อไอน้ำ นี่เป็นการกำหนดค่าที่พบได้ทั่วไป
- เครื่องยนต์แวนเคลแบบผสม Rolls Royce R6 [ 11 ]