Глава 2
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, у
которого топливо сжигается внутри машины. (Турбины и паровые машины
относятся к двигателям внешнего сгорания, так как у них топливо сжигается
вне машины).
Индикаторная диаграмма – это результаты регистрации абсолютного
давления внутри цилиндра ДВС и соответствующего изменения объема,
полученные с помощью особых приборов – индикаторов.
Таким образом, индикаторная диаграмма отображает реальное
необратимое изменение этих термодинамических параметров. Необратимость
обусловлена действием сил трения, теплообменном при конечной разности
температур, конечной скоростью движения поршня и т. д. По индикаторной
диаграмме определяют индикаторные параметры двигателя: КПД, мощность,
работу, удельный расход топлива. Индикаторная диаграмма не является
термодинамическим циклом , поэтому не позволяет достаточно просто
определять термодинамические параметры состояния рабочего тела. Для
расчета ДВС применяются идеальные обратимые циклы, поэтому
принимаются следующие допущения:
1. Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью (
= Const,
);
2. Масса рабочего тела в цикле не изменяется;
3. Отсутствуют механические потери (потери на трение) и потери
теплоты от стенок и с охлаждающей водой;
4. Процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода
теплоты
извне;
5. Процесс уноса теплоты при удалении продуктов сгорания из цилиндра
двигателя заменяется обратимым отводом теплоты
.
1
Эти допущения позволяют заменить реальный процесс работы ДВС
обратимым термодинамическим циклом и выполнить необходимые
термодинамические расчеты.
2.1 Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме (цикл Отто)
Горючая смесь – смесь топлива с воздухом.
Этот цикл впервые был использован немецким инженером Отто в
бензиновом двигателе, созданном им в 1877г.
г орючая смесь
всасывающий клапан
свеча
зажиг ания
г оловка
цилиндра
н
шат у
R
ВМТ
ВМТ
выхлопной
клапан
0,2,2- 3
поршень
(ползун)
w
кривошип
НМТ
1,4
НМТ
цилиндр
2R
выхлоп
3
P3
к
PV=const
q1
P2
цикл От т о
Ац
2
0
P1
q2
индикат орная
диаг рамма
V2
Vкс
4
1
V1
Vцил
V
Рис 2.1. Индикаторная диаграмма и цикл ДВС с подводом теплоты при
.
2
Рабочий процесс ДВС складывается из четырех ходов (тактов ) поршня,
совершаемых за два оборота кривошипа (коленвала).
Первый оборот коленвала:
Такт 1 (процесс 0-1) – всасывание горючей смеси(
).
Такт 2 – адиабатное сжатие горючей смеси (процесс 1-2), воспламенение и
мгновенное сгорание горючей смеси при
(процесс 2-3).
Второй оборот коленвала:
Такт 3 (процесс 3-4) – адиабатное расширение продуктов сгорания топлива и
открытие выхлопного клапана в точке 4.
Такт 4 (процесс 4-0) – удаление из цилиндра продуктов сгорания (выхлоп)
при
(
).
Как следует из рис.2.1.,реальные процессы 4-0 (выхлоп) и 0-1
(всасывание) в обратимом термодинамическом цикле (
заменяются процессом изохорного
) отвода теплоты
)
.
Введем обозначения:
Степень сжатия
(2.1.)
- это отношение полного объема цилиндра
к объему камеры сгорания
Степень повышения давления
(2.2.)
Термический КПД определяется по общей формуле
Удельная подведенная теплота в изохорном процессе 2-3
Удельная отведенная теплота в изохорном процессе 4-1
3
Тогда
Выразим термодинамические параметры рабочего тела в точках 2,3,4
через параметры точки 1 (начальные параметры)
Точка 2
Для адиабатного процесса 1-2 из уравнения Пуассона
откуда
, или
(2.3.)
Из уравнения
(2.4.)
Точка 3
Из уравнений (2.2.) и (2.3.)
(2.5.)
B изохорном процессе 2-3
, откуда из уравнения (2.4.)
(2.6.)
Точка 4
Для адиабатного процесса 3-4,
, откуда из уравнения(2.5.)
или
(2.7.)
4
Из уравнения
и уравнения(2.6.)
или
(2.8.)
Подставляя (2.8.) и (2.6.)
в формулу для
, получим
или
(2.9.)
Из формулы (2.9.) следует, что увеличение и k приводит к увеличению
термического КПД ДВС.
Анализ формулы (2.9.) показал, что увеличение ε свыше значений
10….12 больше не дает эффективного повышения
. Кроме того, при
больших степенях сжатия топливная смесь может самовоспламениться из-за
значительного повышения температуры или даже сдетонировать. Детонация
– это не нормальное, а взрывное горение топлива.
Антидетонационные свойства зависят от сорта топлива, поэтому
предельное значение степени сжатия ε зависят от сорта применяемого
топлива. ( Детонационная стойкость топлива характеризуется его октановым
числом.)
Обычно степень сжатия находится в пределах от 4 до 9. Такие циклы
используются в карбюраторных ДВС.
Работа цикла ДВС с подводом теплоты
при
;
или
5
(2.10.)
где
(2.11.)
На рис 2.2. представлен термодинамический цикл 1кг рабочего тела
ДВС с подводом теплоты при
Отводимая теплота
T
T3
3
st
con
=
V
на T-S
диаграмме представляет собой
площадь 1-4-с-a-1
2
2
T2
T4
1
T1
q1
st
=con
V1
а
4
или
q2
с S
(2.12.)
Рис 2.2 Обратимый термодинамический
Цикл ДВС с подводом теплоты при
(цикл Отто)
2.2 Цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении
(цикл Дизеля)
Невысокие значения термического КПД ДВС, работающих по циклу с
обусловлены малыми допустимыми значениями степени сжатия
ε(до ε ≈9).
6
В 1893 году немецкий инженер Рудольф Дизель получил немецкий
патент на ДВС, работающий при высоких степенях сжатия (до ε ≈20). В
цикле Дизеля воздух и топливо сжимаются раздельно и лишь затем
смешиваются, образуя горючую смесь, которая самовоспламеняется.
Двигатели, работающие по циклу Рудольфа Дизеля, называются
дизелями. Общепринято определять дизель, как поршневой ДВС с
воспламенением от сжатия.
В цикле Дизеля воздух поступает в цилиндр ДВС и сжимается без
топлива поршнем до ε= 14..18. При адиабатном сжатии атмосферного
воздуха до ε=14..18 его давление в конце процесса сжатия повышается до
3..4 МПа, а температура – до 500..800 °С. В конце сжатия воздуха (ВМТ) в
цилиндр подается жидкое топливо, распыленное в форсунках воздухом из
специального компрессора под давлением 5..9 МПа. (Такие дизели называют
компрессорными дизелями). Внутри цилиндра при этом образуется
горючая смесь топлива и сжатого воздуха, которая самовоспламеняется
вследствие высокой температуры воздуха. После самовоспламенения
горючей смеси и начала движения поршня из ВМТ подача топлива в цилиндр
не прекращается. Такой режим сжигания горючей смеси при одновременном
увеличении объема, освобождаемого поршнем, обеспечивает практически
изобарный процесс горении. Регулировка режима горения осуществляется
топливной форсункой. На рис 2.3. изображена теоретическая индикаторная
диаграмма компрессионого дизеля.
Цикл Д изеля на P-V и T-S диаграммах представлен на рис 2.4.
7
P
2
q1
P
P2 2
3
4
0
1
ВМТ
НМТ V
3
P4
q2
к
PV=const
T4
3
4
V1= const
T1 1
1
V2
P2= const
4
АЦ
P1
T
T3
T2 2
k
PV=const
q2
S
V
V3
V4
Рис. 2.3.Теоретическая
индикаторная диаграмма
(цикл Дизеля) на P-V и T-S
диаграммах.
компрессионного дизеля.
Рис2.4.Цикл ДВС с
подводом теплоты при
На рис 2.3.: 0-1 – всасывание воздуха в цилиндр;1-2 – адиабатное сжатие
воздуха в цилиндре; 2-3 – процесс горения топлива; 3-4 – адиабатное
расширение продуктов сгорания после прекращения впрыска топлива в
цилиндр;4-1-0 – выхлоп продуктов сгорания в атмосферу.
Термодинамический цикл на рис 2.4. однозначно определяется
значениями термодинамических параметров в начальном состоянии (точка
1) и двумя характеристиками цикла:
- степень сжатия;
и
- степень предварительного расширения;
- подведенная теплота;
- отведенная теплота;
Термический КПД цикла
,
8
где
- показатель адиабаты.
Точка 2
;
(2.13.)
или
(2.14.)
Точка 3
или
(2.15.)
(2.16.)
или
(2.17.)
Точка 4
или
(2.18.)
или
(2.19.)
9
Подставляя в формулу для
значения
получим
или
(2.20.)
Из сравнения термического КПД цикла Отто
(2.9.) с полученным
выражением для термического КПД цикла Дизеля (2.20.) видно, что они
отличаются только множителем у
:
Таким образом, при одинаковых степенях сжатия
>
Если взять одинаковые максимальные давления ( на рис 2.4. и
рис 2.1.), одинаковые максимальные температуры ( на рис 2.4. и
2.2.) и одинаковые значения отводимой теплоты
на
на рис
, то, как следует из рис
2.5., при различных
>
10
Таким образом, рабочий процесс ДВС с
T
T3
P2= const
3
самовоспламенением горючей смеси от
2'
2
сжатия при больших ε (ε= 14..18),
выгоднее, чем рабочий процесс по циклу
V2= const
Отто (ε= 4..9) и искровым зажиганием.
t
ons
c
=
В компрессорных дизелях
4
используется дешевое жидкое нефтяное
V1
q2
1
топливо: керосиновое, газойлевые и
Рис 2.5. Сравнение циклов с
S
подводом теплоты при
и при
соляровые фракции нефти – для
быстроходных дизелей; более тяжелые
фракции или остаточные нефтепродукты -
:
для тихоходных дизелей.
Цикл Дизеля;
Цикл Отто.
Дизели экономичны, поэтому широко применяются на судах, тепловозах,
грузовых автомобилях, тракторах, дизельных электростанциях.
Основной характеристикой дизельного топлива является цетановое
число.
Справка:
Цетановое число численно равно процентному (по объему)
содержанию цетана ( цетановое число принято за 100), в его смеси с α –
метилнафтолином ( цетановое число принято за 0), эквивалентной по
воспламенительным свойствам испытуемому топливу при стандартных
условиях испытаний.
Цетан (гексадекан),
, насыщенный алифатический
углеводород; бесцветная жидкость с температурой кипения 287,5° С.
2.3.Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)
Недостатки цикла Дизеля:
11
- наличие компрессора, усложняющего конструкцию ДВС;
- на обеспечение работы компрессора требуется 6..10% от общей
мощности компрессорного дизеля.
Бескомпрессорный дизель, разработанный русским инженером Густавом
Васильевичем Тринклером в 1904 году, объединяет положительные свойства
циклов Отто и Дизеля. Цикл Тринклера используется в большинстве
современных быстроходных дизелей.
Вместо компрессора Тринклер применил механическое сжатие топлива
до высоких давлений (30..170МПа) с помощью топливного насоса. Сжатое
насосом топливо впрыскивается в специальную предкамеру или через
форсунку в головку цилиндра, где оно самовоспламеняется и частично
быстро сгорает при
, а затем догорает при
.
Принципиальная схема бескомпрессорного дизеля с предкамерой
представлена на рис. 2.6.
Идеальный термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом
теплоты представлен на рис. 2.7.
цилиндр
шт ок
поршня
поршень
P
P3
3
q1p
4
q1v
P2
P5
T4
T3
АЦ
k
PV=const
2
2
P1
V4
форсунка
V1
st
on
=c
V
q1p
5
st
con
=
V
1
1
V2
4
q1v
k
PV=const
клапан
предкамера
P3=const
3
2
T2
5
T
T1
1
q2
V
Рис 2.6. схема
Рис 2.7. Идеальный цикл ДВС со смешанным
бескомпрессорного
подводом теплоты (цикл Тринклера) в P-V и T-S
дизеля с предкамерой.
диаграммах.
S
12
Термодинамические процессы идеального цикла ДВС со смешанным
подводом теплоты:
1-2 - адиабатное сжатие воздуха в цилиндре до ε = 14..22 для
Такт 1
достижения надежного самовоспламенения топлива при контакте со
сжатым воздухом в точке 2;
2-3 – изохорный подвод первой части теплоты
от быстрого
сгорания части топлива в предкамере или в головке цилиндра в
смеси со сжатым воздухом;
Такт 3,4
Такт 2
3-4 – изобарный подвод второй части теплоты
от догорания в
цилиндре оставшейся части топлива;
4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре;
5-1 – изохорный отвод теплоты
(выхлоп) с возвращением
рабочего тела в исходное состояние.
( В индикаторной диаграмме процесс 5-1 совершается за два такта (хода
поршня); 5-0 – выхлоп продуктов сгорания; 0-1- всасывание в цилиндр
атмосферного воздуха.)
Характеристиками цикла Тринклера являются:
- степень сжатия (воздуха);
- степень повышения давления (от изохорного сгорания части топлива в
предкамере);
- степень предварительного расширения рабочего тела (от изобарного
догорания оставшейся части топлива в цилиндре). Величина ρ не превышает
ε.
13
- подведенная теплота в процессе 2-3;
- подведенная теплота в процессе 3-4;
- отведенная теплота в процессе 5-1.
Термический КПД цикла Тринклера
;
Где
- показатель адиабаты рабочего тела.
Параметры рабочего тела в узловых (характерных) точках цикла:
Точка 2
- конечный объем воздуха при его
адиабатном сжатии в цилиндре;
,
или
- конечное давление адиабатного
сжатия воздуха в цилиндре;
,
или
- конечная температура адиабатного
сжатия воздуха в цилиндре;
Точка 3
,
или
- конечный объем продуктов изохорного
сжигания части топлива в предкамере
или в головке цилиндра;
,
14
или
- конечное давление продуктов
изохорного сжигания части топлива;
или
- конечная температура
продуктов изохорного сжигания части топлива;
Точка 4
,
или
- конечный объем продуктов
изобарного догорания топлива в цилиндре;
,
или
- давление продуктов сгорания топлива
при его полном догорании в условиях
изобарного расширения газа в цилиндре;
,
или
- конечная температура продуктов
изобарного догорания топлива в цилиндре;
Точка 5
- объем продуктов сгорания при
завершении адиабатного расширения в цилиндре;
,
15
или
- конечное давление адиабатного
расширения продуктов сгорания топлива;
,
или
- конечная температура адиабатного
расширения продуктов сгорания топлива;
Подставляя найденные значения
в формулу для
термического КПД, получим
(2.21.)
Из этой обобщающей формулы следует, что
растет с увеличением
, и уменьшаются при увеличении .
При
цикл со смешанным подводом теплоты превращается в цикл
Отто, у которого
,
а при
- в цикл Дизеля, у которого
.
При одинаковых значениях максимального давления, максимальной
температуры и одинаковых значениях отводимой теплоты
, но различных
значениях
В этом случае максимальное значение степени сжатия будет у ДВС с
циклом Дизеля.
Доля теплоты, подведенной в изохорном процессе:
(2.22.)
16
Расчеты показывают, что, начиная с
, дальнейшее увеличение
ее значения приводит к слабому увеличению
. С точностью до 2%,
полагают, что при
.
Подставляя в формулу для степени повышения давления значения
и
, получим
(2.23.),
где
.
Из формулы (2.23.) следует, что увеличение
приводит к сильному
увеличению , а, значит к значительному повышению максимального
давления в цикле
На практике
, так как при более высоких значениях
заметно
ухудшаются условия работы кривошипно – шатунного механизма ДВС,
увеличивается шумность двигателя и снижается его механический КПД.
Подставляя в формулу для степени предварительного расширения
значения
и
, получим
(2.24.)
Зависимости (2.23.) и (2.24.) позволяют задать характеристики двигателя
и
при известных значениях
и .
Важным показателем цикла в целом служит среднее давление цикла
(2.25.)
Здесь (
) – рабочий объем цилиндра, то есть объем
описываемый поршнем
Из (2.25.)
.
- это работа, полученная с единицы рабочего объема
цилиндра (удельная работа).
Так как
17
,
То
,
или
(2.26.)
Здесь
- тепловая нагрузка единицы объема камеры сгорания, Дж/м 3 .
Подставляя в формулу (2.26.) значения
и
,
, получим
(2.27.)
В формуле (2.26.)
(2.28.)
и
(2.29.)
Для повышения
Полагая
за счет увеличения
в дизелях применяют наддув.
, получим по формуле (2.27.) для цикла Отто
(2.30.)
При 1 из формулы (2.27.) получим среднее давление в цикле Дизеля
(2.31.),
где степень предварительного расширения
из (2.24.) при
(2.32.)
Таким образом
зависит от
, т.е. от тепловой нагрузки.
18
Так как
входит в формулы для
и
,то термический КПД и
среднее давление цикла Дизеля, в отличие от цикла Отто, зависят от
тепловой нагрузки . С увеличением тепловой нагрузки
снижается, а
увеличивается.
3. Циклы газотурбинных установок (ГТУ)
ГТУ относятся к двигателям внутреннего сгорания. В ГТУ газообразные
продукты сгорания топлива направляются в турбину, где расширяются в
сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, вращая колесо
турбины. В поршневых ДВС все процессы проходят в цилиндре,
последовательно чередуясь, а в ГТУ - одновременно в разных элементах ГТУ
при непрерывном или пульсирующем потоке через них рабочего тела. В
случае непрерывного потока рабочего тела подвод теплоты идет при
постоянном давлении, а при пульсирующем - при постоянном объеме.
Преимущества ГТУ по сравнению с поршневым ДВС:
1.Возможность полного расширения рабочего тела в турбине до
атмосферного давления, это увеличивает термический КПД двигателя;
2.Отсутствие деталей, совершающих возвратно – поступательные
движения;
3. Меньшие габариты и масса (за счет большой частоты вращения),
простота конструкции, использование дешевого топлива(керосин);
4.Возможность достижения больших мощностей в одном агрегате.
Допущения, принятые для идеальных термодинамических циклов
ГТУ:
- рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью
(
);
- циклы обратимы;
- подвод теплоты не изменяет химический состав рабочего тела;
19
- отвод теплоты – обратимый процесс;
- тепловые и гидравлические потери отсутствуют;
- отвод теплоты в случае полного расширения до атмосферного
давления происходит при
.
Виды идеальных циклов ГТУ:
Ц
1.
иклы с подводом теплоты при постоянном давлении;
Ц
2.
иклы с подводом теплоты при постоянном объеме;
Ц
3.
иклы с регенерацией теплоты.
3.1.Цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении
На рис.3.1. представлена схема простейшей (одновальной) ГТУ со
сгоранием топлива при постоянном давлении.
3
воздух
5
6
9
продукт ы
сг орания
2
10
4
т опливо
7
8
1
Рис 3.1.Принципиальная схема одновальной ГТУ со сгоранием топлива
при постоянном давлении:1 – топливный бак; 2 – топливный насос; 3 –
форсунка; 4 – компрессор; 5 – камера сгорания; 6 – сопловой аппарат; 7 –
рабочие лопатки; 8 – газовая турбина ; 9 – выпускной патрубок;9 –
электрогенератор.
20
Жидкое топливо из бака 1 топливным насосом 2, с приводом от газовой
турбины 8, непрерывно подается из форсунки 3 и впрыскивается через них в
камеру сгорания 5. В камеру сгорания компрессором 4, приводимым в
движение газовой турбиной 8, подается сжатый воздух. В начальной момент
запуска ГТУ воспламенение топливной смеси производится от
электрической свечи, а затем от факела пламени (при включенной свече).
При пуске ГТУ вал турбокомпрессора (газовая турбина плюс компрессор)
раскручивается стартером до пусковой частоты вращения и только затем
топливо подается в камеру сгорания. Температура продуктов сгорания
топлива составляет примерно 2000°С, поэтому для сохранения лопаток
турбины 7 в поток продуктов сгорания за зоной горения подмешивается
избыточный воздух, снижающий температуру газов до 800 - 1200°С для
транспортных ГТУ, а для авиационных – до 1300 - 1400°С. В камеру
сгорания воздуха подается в 3,5 – 4,5 раза больше теоретически
необходимого для полного сгорания топлива. Из камеры сгорания газ
направляется в сопловой аппарат 6 газовой турбины 8, где в процессе
расширения совершает механическую работу по вращению рабочего колеса
турбины. Часть этой работы идет на привод компрессора. Отработавшие газы
через выпускной патрубок 9 выбрасываются в атмосферу.
На рис. 3.2. представлен идеальный цикл рассматриваемой ГТУ.
P
3
1
V2 V1
st
P2=con
q2
3
i
2
dq=0
Ац
dq=0
P1 d
T
q1
P2 c 2
3
q
q1
1
t
P1=cons
4
1
hТ
2
4
hk
q2
4
1
q1
V3 V4
V
S
S
21
Рис.3.2. Термодинамический идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при
P=Const на P-V, T-S и I-S диаграммах.
Рабочим телом в компрессоре является воздух, а в камере сгорания и
турбине – продукты сгорания топлива.
Процессы цикла:
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре с повышением давления от
до
и температуры от
до
2-3 – изобарное (
) расширение рабочего тела в камере сгорания с
подводом теплоты
температуры от
;
от сгорания топливной смеси с повышением
до
;
3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой
турбины до начального давления воздуха
до
с понижением температуры от
;
4-1 – условный изобарный (
) отвод теплоты
системы к начальному состоянию с параметрами
при возвращении
.(В
действительности – это два реальных процесса: выброс из турбины всех
продуктов сгорания в атмосферу и всасывание в компрессор новой порции
атмосферного воздуха.)
Характеристики цикла:
- степень повышения давления воздуха в компрессоре (процесс 1-2);
- степень предварительного расширения рабочего тела в камере сгорания
(процесс 2-3);
Удельная подведенная теплота
;
Удельная отведенная теплота
22
;
Термический КПД цикла
Определим параметры рабочего тела в узловых (характерных) точках
цикла.
Точка 2
- конечное давление адиабатного
сжатия воздуха в компрессоре;
или
- конечная температура адиабатного
сжатия воздуха в компрессоре;
или
- удельный объем воздуха в конце
адиабатного сжатия в компрессоре.
Точка 3
- давление рабочего тела в конце изобарного
расширения с подводом теплоты
в камере
сгорания (давление на входе в турбину);
или
- конечная температура рабочего тела
23
при его изобарном расширении с подводом
теплоты
(температура на входе в газовую турбину);
или
- удельный объем продуктов
сгорания на входе в турбину;
Точка 4
или
- конечная температура адиабатного
расширения продуктов сгорания топлива в газовой турбине.
или
- конечный удельный объем рабочего тела
после его расширения в турбине.
Подставляя значения
в формулу для термического КПД, получим
Или окончательно
(3.1.)
Из этой формулы следует, что термический КПД ГТУ при данном κ
рабочего тела зависит только от степени повышения давления воздуха в
компрессоре
и увеличивается с ростом .
24
Удельная работа цикла
равна разности между полезной работой
расширения в турбине (площадь с-3-4-d-c на P-V диаграмме рис. 3.2.) и
полезной работой сжатия в компрессоре (площадь с-2-1-d-c)
(3.2.)
Получим еще одну формулу для
,преобразуя (3.2.)
,
где
Тогда
(3.3.)
Обозначим
– степень повышения температуры в цикле
Или
(3.4.)
Подставляя значение
по (3.4.) в формулу (3.3.) получим еще одну
формулу для работы цикла
(3.5.)
Исследование функции (3.3.) на максимум дает оптимальную величину
степени повышения давления воздуха в компрессоре
(3.6.)
25
Таким образом, каждому значению степени повышения температуры в
цикле
соответствует свое оптимальное значение степени повышения
давления воздуха в компрессоре . График зависимости
от
представлен
на рис 3.3.
Для существующих транспортных
Aц
ГТУ значение
находится в пределах
, а в авиационных – до
03
.
02
01
опт1 опт2 опт3
Рис3.3. График зависимости
От степени повышения давления
Воздуха в компрессоре при
различных
Так как
,
то характер зависимости
от
аналогичен зависимости
от
(при
).
Однако термический КПД не характеризует полностью экономичность
реальной установки, т.к.
не учитывает различные потери энергии. Поэтому
в качестве меры экономичности установки используется эффективный КПД
ГТУ:
26
(3.7.)
Где
- эффективная работа, учитывающая внутренние и механические потери в
ГТУ и определяемая как разность действительных работ расширения в
турбине
и сжатия в турбокомпрессоре
Где:
.
- внутренний относительный КПД газовой турбины;
- механический КПД;
– адиабатный КПД турбокомпрессора.
На рис.3.4. представлены значения
и
в зависимости от степени
сжатия .
max
tp
tp
ep
ep
*
опт3
Рис 3.4. Зависимость термо КПД и эффективного КПД от степени сжатия
воздуха в компрессоре ГТУ.
27
С ростом
потери в турбокомпрессоре значительно возрастают, поэтому
начинает с
расти быстрее, чем
вплоть до нуля. Реальное значение
,а
начинает убывать,
выбирается из условия
.
Одновальные ГТУ наиболее просты по конструкции, но имеют
существенный недостаток. Жесткая связь воздушного компрессора 4 и
газовой турбины 8 (рис.3.1.) приводит к тому, что при увеличении внешней
нагрузки частота вращения турбокомпрессора уменьшается, а, значит,
уменьшается
и общее количество воздуха, поступающего в камеру
сгорания. Во избежание перегрева лопаток турбины уменьшение количества
воздуха должно сопровождаться уменьшением подачи топлива, что приводит
к понижению крутящего момента, вместо его повышения. Такая реакция ГТУ
на увеличение нагрузки неприемлема для транспортных машин, поэтому
одновальные ГТУ применяются в основном для привода электрических
генераторов.
Для возрастания крутящего момента при увеличении внешней нагрузки
применяются двухвальные ГТУ (ГТУ со свободной турбиной). В них
происходит двухступенчатое расширение продуктов сгорания: сначала они
расширяются в газовой турбине турбокомпрессора, предназначенного для
привода компрессора, а затем – в силовой турбине, связанной с
потребителем. В этом случае изменение внешней нагрузки не изменяет
режим работы компрессора и топливного насоса, поэтому при понижении
частоты вращения силовой турбины ее крутящий момент возрастает.
3.2. Циклы ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме
В данных ГТУ процесс горения является пульсирующим. Схема ГТУ с
подводом теплоты при
представлена на рис.3.5.
28
3
7
2
8
6
9
4
10
воздух
т опливо
5
1
Рис.3.5. Принципиальная схема ГТУ с подводом теплоты при
постоянном объеме:
1 – камера сгорания; 2 – сопловой клапан; 3 – сопловой аппарат; 4 – газовая
турбина; 5 – топливный насос; 6 – осевой компрессор; 7 - топливный
клапан; 8 - воздушный клапан; 9 – топливный бак; 10 – электрогенератор.
Воздух сжимается в компрессоре 6 и через воздушный клапан 8
подается в камеру сгорания 1. Воспламенение топливной смеси производится
электрической искрой при закрытых впускных клапанах 7 и 8 и закрытом
выпускном (сопловом) клапане 2, то есть при
. После сгорания
порции топлива давление в камере сгорания повышается и под его действием
открывается сопловой клапан 2. При открытом клапане 2 продукты сгорания
попадают через сопловой аппарат 3 на лопатки газовой турбины 4.
На рис. 3.6. изображен идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при
в P-V и T-S диаграммах.
29
P
P3
T
T3
3
3
st
n
o
c
V2=
q1
P2
P1
2 Ацv
dq=0
dq=0 1
v2
4
q2
v1
T2
T4
T1
v4
2
q1
t
P1=cons
1
4
q2
V
S
Рис.3.6. Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном
объеме в P-V и T-S диаграммах.
Процессы:
1–2 - адиабатное сжатие рабочего тела (воздуха) в компрессоре с
повышением давления от
до
2-3 – изохорный подвод теплоты
топливной смеси в условиях
и температуры от
до
;
к рабочему телу при сгорании
с повышением давления до
температуры до
3-4 - адиабатное расширение продуктов сгорания в сопловом аппарате и на
лопатках газовой турбине с понижением давления от
окружающей среды
и температуры от
4-1 - изобарный (
) отвод теплоты
до давления
до
при условном возвращении к
начальному состоянию рабочего тела с параметрами
(В
действительности – это два реальных процесса: выброс продуктов сгорания в
атмосферу из турбины и всасывание в компрессор новой порции воздуха.)
Характеристики цикла:
- степень повышения давления воздуха в компрессоре (процесс 1-2);
30
- степень изохорного повышения давления рабочего тела при
сгорании топливной смеси в камере сгорания в условиях
;
Удельная теплота, подведенная в цикле
;
Удельная теплота, отведенная в цикле
;
Определим значение термодинамических параметров рабочего тела в
узловых точках цикла.
Точка 2
- конечное давление адиабатного
сжатия воздуха в компрессоре;
или
- конечная температура адиабатного
сжатия воздуха в компрессоре;
или
- удельный объем воздуха в конце
его адиабатного сжатия в компрессоре.
Здесь
- удельный объем воздуха на входе в компрессор.
Точка 3
- удельный объем рабочего тела
в конце изохорного подвода теплоты
31
от сгорания топливной смеси.
- конечное давление при изохорном
сгорании топливной смеси.
или
- конечная температура при изохорном
сгорании топливной смеси;
Точка 4
- конечное давление при адиабатном
расширение продуктов сгорания в газовой турбине.
или
- конечная температура при адиабатном расширении
продуктов сгорания в газовой турбине.
или
- удельный объем рабочего тела
на выходе из газовой турбины.
Термический КПД
Подставляя в эту формулу значения
получим
32
или
(3.8.)
Таким образом, термический КПД ГТУ с теплоподводом при
увеличивается при возрастании степени повышения давления воздуха в
компрессоре , степени изохорного повышения давления рабочего тела при
сгорании топлива
и показателя адиабаты . Характер зависимости
аналогичен зависимости
от
от
в цикле с подводом теплоты при
.
Работа цикла
,
где
или
(3.9.)
Тогда
(3.10.)
На рис 3.7. для сравнения приведены на P-V и T-S диаграммах циклы
ГТУ с подводом теплоты при
значениями
и
одинаковыми
и
33
T
P
3v
3v
P2
Ацv
2
nst
o
c
V2=
2
3p
Ацp
3p
t
P2=cons q1
4
t
P =cons
1
P1
1
1
4
q2
V
S
Рис 3.7. Идеальные циклы ГТУ с подводом теплоты при
и
с одинаковой степенью повышения давления в компрессоре и
одинаковым количеством отведенной теплоты на P-V и T-S диаграммах.
Из рис.3.7.следует, что при одинаковых значениях
подводом теплоты при
и
,цикл с
выгоднее цикла с подводом теплоты при
за счет большей степени адиабатного расширения рабочего тела в
турбине и соответственно большего значения термического КПД.
Необходимость установки в камере сгорания впускных и выпускных
клапанов усложняет конструкцию ГТУ и снижает ее надежность. Кроме того,
клапаны значительно увеличивают гидравлическое сопротивление потоку
рабочего тела, что существенно снижает
реальных ГТУ. Условия работы
турбины в ГТУ с подводом теплоты при
значительно ухудшаются
из-за пульсации потока продуктов сгорания топливной смеси.
По указанным причинам ГТУ с подводом теплоты при
не
получили практического применения. Все эксплуатируемые в настоящее
время ГТУ работают по циклу со сгоранием топливной смеси при
постоянном давлении.
3.3. Циклы ГТУ с регенерацией теплоты
34
Регенерация теплоты в ГТУ заключается в подогреве воздуха,
поступающего из компрессора в камеру сгорания, отработавшими газами
турбины.
Схема ГТУ с подводом теплоты при
и с регенерацией
воздух
теплоты представлена на рис 3.8.
1
2
т опливо
6
7
4
5
3
от работ авшие
г азы
Рис. 3.8. Схема ГТУ с регенерацией теплоты:
1 – камера сгорания; 2 – осевой воздушный компрессор; 3 – регенератор
(теплообменник); 4 – газовая турбина; 5 – электрогенератор (нагрузка); 6 –
топливный насос; 7 – топливный бак.
Воздух из компрессора 2 поступает в регенератор 3,где посредством
теплопередачи от отработавших в турбине 4 газов подогревается и поступает
в камеру сгорания 1. Подогрев воздуха в регенераторе 3 уменьшает
количество теплоты, которое необходимо подвести к нему в камере сгорания
1 для достижения заданной максимальной температуры цикла.
Уходящие из газовой турбины 4 продукты сгорания топливной смеси
имеют достаточно высокую температуру, поэтому использование их теплоты
в цикле ГТУ повышает термический КПД установки. Если для подогрева
воздуха используется вся теплота отработавших газов, то такой цикл
называется циклом с полной (предельной) регенерацией.
35
Степень регенерации – это отношение количества теплоты, переданной
воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано ему
при охлаждении газов до температуры воздуха на выходе из компрессора.
Идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при постоянном давлении и с
регенерацией теплоты представлен на рис. 3.9.
{
q1
3
3
dq=0
T4
T5p
4 TT26p
5p
c
6p
2
{
{
1
q2
q1
5p
{
4 qp*
d st
con
=
P
qp
1
qp
T1
qp
1
V
c
qp
4
5p
t
ns
o
=c
P1
6p
{
dq=0
P1
P2=const
P2
=c
on
st
6p
3
i
T
T3
{
{
P
P2 2
qp
d
2
1
S
S
Рис. 3.9. Термодинамический идеальный цикл ГТУ с подводом теплоты при
и с регенерацией теплоты на P-V и T-S и i-S диаграммах.
Процессы цикла:
1–2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре с повышением давления от
до
и температуры от
до
;
2 – 6p - изобарный (при
подводом теплоты
) подогрев воздуха в регенераторе с
и повышением температуры от
6p – 3 - изобарное (при
до
;
) расширение рабочего тела в камере
сгорания с подводом теплоты
температуры от
до
от сгорания топливной смеси с повышением
;
3 – 4 - адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках газовой
турбине и в сопловом аппарате до начального давления воздуха
понижением температуры от
до
с
;
36
4 – 5p – изобарная (при
) отдача теплоты
в регенераторе от
отработавших в турбине продуктов сгорания топливной смеси к сжатому в
компрессоре воздуху;
5p – 1 - условный изобарный (при
) отвод теплоты
при
возвращении системы к начальному состоянию с параметрами
(В
действительности – это два процесса: выброс из регенератора в атмосферу
всех продуктов сгорания и всасывание в компрессор новой порции воздуха.)
Фактически регенерированная теплота
Предельно возможная (полная) регенерированная теплота
Тогда степень регенерации
(3.11.)
Если
=
(полная) и
или
, то регенерация предельно возможная
=
. При этом сжатый воздух, поступающий из регенератора в
камеру сгорания, нагревается в регенераторе до температуры газов на выходе
из турбины, то есть
.
На практике всегда
Подводимая на участке 6p – 3 теплота
;
Отводимая на участке 5p – 1 теплота
По формуле (3.11.)
и
Тогда
37
Термический КПД цикла
Ранее в п.3.1. было получено при
и
;
;
Тогда
Окончательно
(3.12.)
При
формула (3.12.) приводится к виду (3.1.):
;
А при
или
(3.13.)
Работа цикла с регенерацией
;
38
Подстановка в это уравнение значений
и
дает формулу (3.5.),то
есть
Следовательно, применение регенератора не влияет на величину работы
термодинамического цикла
(В действительном цикле из-за влияния
гидравлических сопротивлений в регенераторе удельная работа цикла
получается меньше).
Регенерация теплоты приводит к увеличению веса и габаритов ГТУ изза наличия регенератора (теплообменника), поэтому такие ГТУ являются в
основном стационарными и реже транспортными.
3.4. Метод повышения термического КПД ГТУ за счет применения
многоступенчатого сжатия и многоступенчатого сгорания.
Для повышения термического КПД ГТУ необходимо максимально
приблизить ее цикл к обобщенному (регенеративному) циклу Карно,
состоящему, как известно из двух изотерм и двух произвольных
эквидистантных кривых расширения и сжатия рабочего тела. К обобщенному
циклу Карно относится цикл с двумя изотермическими процессами сжатия и
расширения, двумя изобарными процессами сжатия и расширения и с
регенерацией теплоты в изобарных процессах. Приближенно изотермическое
сжатие можно воспроизвести, если использовать многоступенчатое
адиабатное сжатие в многоступенчатых компрессорах с промежуточным
охлаждением воздуха в охладителях после каждой ступени. Изотермическое
расширение можно приближенно воспроизвести, если использовать
многоступенчатое расширение газов в турбинах с подогревом его в камерах
сгорания, дополнительно установленных после каждой ступени турбины
(кроме последней). Чем больше ступеней сжатия и расширения, тем ближе к
обобщенному циклу Карно.
39
В результате технико-экономического анализа установлено, что
оптимальным является регенеративный цикл с тремя ступенями сжатия и
двумя ступенями сгорания. Схема ГТУ, работающей по такому циклу,
представлена на рис.3.10.
На рис.3.11. представлен идеальный термодинамический цикл этой
установки в P-V и T-S диаграммах.
от работ авшие
г азы
КС1
К2
Х1
К3
т опливо
К1
ТН
Х2
ТБ
т опливо
воздух
Р
ТН
ГТ1 ГТ2
ЭГ
КС2
Рис.3.10.Схема ГТУ, работающей по регенеративному циклу с тремя
ступенями сжатия и двумя ступенями сгорания: К1, К2, К3 – ступени
трехступенчатого осевого компрессора;Х1,Х2 – промежуточные
охладители воздуха; Р – регенератор(теплообменник) Р. КС1,КС2 – камеры
сгорания;ТН – топливный насос; ТБ – топливный бак; ГТ1,ГТ2 – ступени
газовой турбины; ЭГ – электрогенератор(нагрузка).
Воздух последовательно сжимается в ступенях К1, К2, и К3
трехступенчатого осевого компрессора с двумя промежуточными
охладителями Х1 и Х2 и подается в регенератор (теплообменник) Р. В
регенераторе сжатый воздух подогревается отработавшими газами из второй
ступени газовой турбины ГТ2 до определенной температуры. Подогретый
воздух далее подается в камеру сгорания КС1 первой ступени газовой
40
турбины ГТ1, где вместе с топливом образует топливную смесь, сгорающую
при постоянном давлении. Топливо в камеру сгорания подается топливным
насосом ТН. Компрессор и топливный насос приводятся в движение от
газовой турбины. Продукты сгорания из камеры сгорания КС1 подаются на
лопатки первой ступени газовой турбины ГТ1, а из нее – во вторую камеру
сгорания (вторую ступень камеры сгорания) КС2. В КС2 топливным насосом
ТН подается дополнительная порция топлива для дожигания газов,
отработавших в ГТ1, но имеющих избыточное количество воздуха.
Продукты сгорания из камеры сгорания КС2 подаются на лопатки второй
ступени турбины ГТ2, а из нее – в регенератор Р для подогрева сжатого
воздуха. Пройдя через регенератор, продукты сгорания выбрасываются в
атмосферу.
Т9=Const
P2
5
4
9
T12P
T7P
3
1
Т1=Const
13
9
10
2
P1
10
8
T8
Т8=Const
P6
=C
on
st
P4
P9
8
P9
=C
on
st
P6 14 6 7Р
T
12Р 11 13
T1 14
Т9=Const
7Р
6
5
12Р 11
P4
=C
on
st
P2
=C
on
st
P1=
Co
ns
t
P
4
2
3
1 qp
V
Рис.3.11. Термодинамический цикл ГТУ, приближающийся к
обобщенному (регенеративному) циклу Карно.
Принимается, что в охладителях перед каждой ступенью компрессора
воздух изобарно охлаждается до температуры на входе в компрессор
.
В нашем случае
(3.14.)
41
Также принимается, что максимальная температура сжатия в каждой
ступени компрессора одинакова.
В нашем случае
(3.15.)
Так как
,
,
,
То выполнение условий (3.14.) и (3.15.) приводит к равенству степеней
сжатия во всех ступенях компрессора:
Принимается, что газ на выходе из всех камер сгорания имеет
одинаковую температуру
Процессы цикла:
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в первой ступени компрессора К1 с
повышением давления от
до
и температуры от
2 – 3 – охлаждение воздуха в охладителе Х1 при
до
;
от температуры
с отводом теплоты
3 – 4 - адиабатное сжатие воздуха во второй ступени компрессора К2 с
повышением давления от
до
и температуры от
до
;
4 – 5 – охлаждение воздуха в охладителе Х2 при
до
с отводом теплоты
от температуры
;
5 – 6 - адиабатное сжатие воздуха в третьей ступени компрессора К3 с
повышением давления от
до
и температуры от
до
;
42
6 – 7Р – подогрев воздуха в регенераторе P при
температуры от
до
с повышением
за счет подвода теплоты
от газов, отработавших
во второй ступени турбины ГТ2;
7Р – 8 – изобарный (при
подвод теплоты
) с повышением температуры от
до
к рабочему телу в камере сгорания КС1 в результате
сгорания топливной смеси;
8 – 9 – адиабатное расширение продуктов сгорания в первой ступени газовой
турбины ГТ1 с понижением температуры от
9 – 10 - изобарный (при
до
и давления от
;
) с повышением температуры от
подвод теплоты
до
; к рабочему телу в камере сгорания КС2 в
результате дожигания в ней отработавших газов из ГТ1;
10 – 11 - адиабатное расширение продуктов сгорания во второй ступени
газовой турбины ГТ2 с понижением давления
температуры от
до
до
и
;
11 – 12Р - изобарный (при
) отвод теплоты
от продуктов
сгорания в регенераторе Р а понижением температуры от
до
;
12Р – 1 – изобарное при
охлаждение продуктов сгорания в
атмосфере с отводом теплоты
;
Термический КПД цикла
(3.16.)
При бесконечном количестве ступеней промежуточного расширения и
сжатия, а также с полной регенерацией теплоты в процессах 13 – 1 и 14 – 8
Так как изобары
и
эквидистантны, то
и
равны между собой и
(3.17.)
43
или
Обобщенный (регенеративный) цикл Карно на рис. 3.11. представлен
циклом 1-3-5-14-6-7Р-8-10-13-1.
3.5.Циклы реактивных двигателей
В них теплота от сгорания топлива преобразуется в кинетическую
энергию газообразных продуктов сгорания, истечение которых создает тягу
двигателя
(3.18.)
Где
G – массовый секундный расход газов, кг/с;
– скорость истечения газов из сопла, м/с;
, м/с;
По способу организации горения топлива реактивные двигатели делятся на
две группы:
В
1)
оздушно – реактивные двигатели (ВРД)
А) компрессорные (турбореактивные) ВРД,
Б) бескомпрессорные ВРД (прямоточные и пульсирующие)
2) реактивные двигатели (РД),
А) жидкостные (ЖРД),
Б) твердотопливные (РДТТ).
3.5.1. Прямоточный воздушно – реактивный двигатель(ПВРД)
В ПВРД сгорание топлива происходит при
, а в качестве
окислителя топлива используется кислород атмосферного воздуха. Сжатие
воздуха происходит за счет скоростного напора.
44
Схема бескомпрессорного ВРД, представлена на рис.3.12., используется
для сверхзвуковых скоростей полета.
V>a
Мв>1
МГ<1
Мв<1
1
6
3
4
МГ<1
7
2
МГ>1
5
Wа
Р
W=V
T=Tат м
Р=Рат м
Wкр
Ткр
Ркр
Wa>a
T
Wкр
Ркр
Та
W
Рат м
Рис.3.12. Схема баскомпрессорного прямоточного ВРД и характер
изменения параметров рабочего тела в газо-воздушном тракте: 1диффузор; 2- камера сгорания; 3- турбулизируюшие решетки; 4- форсунки;
5-сопло;6- корпус; 7- стабилизатор.
Воздух поступает в сечение 1 канала со сверхзвуковой скоростью. В
диффузоре 1 происходит сжатие воздуха с уменьшением скорости до
,
где - скорость звука. Сгорание топлива происходит на участке III-IV при
постоянном давлении с выделением теплоты
.
Увеличение скорости продуктов сгорания до звуковой и сверхзвуковой
происходит в сопле 5.
На рис.3.13. представлена схема бескомпрессорного прямоточного ВРД
для дозвуковых скоростей полета.
45
V>a
МГ<1
Мв<1
1
Р=Рат м
wa>a
3
2
T
W=V
T=Tат м
МГ<1
W
Р
T
W
Р
Рис. 3.14. Схема бескомпрессорного прямоточного ВРД для дозвуковых
скоростей полета и характер изменения параметров рабочего тела в газовоздушном тракте:1- диффузор; 2- камера сгорания; 3- сопло; 4- форсунки.
На данной схеме у диффузора 1 нет сужающейся части на входе в канал,
так как скорость воздуха в сечении I дозвуковая. На участке между
сечениями III и IV скорость продуктов сгорания возрастает. Но не достигает
значений скорости звука.
Бескомпрессорные ВРД работают лишь в набегающем потоке воздуха,
поэтому требуют принудительного запуска. Воспламенение топливной смеси
производится электрической искрой. Температура продуктов сгорания более
2000°С.
Теоретический цикл бескомпрессорного прямоточного ВРД представлен на
рис.3.15.
46
Процессы цикла:
P
q1
2
P2
1–адиабатное сжатие набегающего
3
воздуха в диффузоре;
2 - 3 - изобарный (при
подвод теплоты
P1
1
q2
)
при сгорании
топлива в камере сгорания;
4
3 – 4 - адиабатическое расширение
V
Рис.3.15. Цикл ПВРД в P-V
диаграмме.
продуктов сгорания в сопле;
4 – 1- изобарный (при
) отвод теплоты
при охлаждении
удаленных в атмосферу продуктов сгорания до температуры окружающей
среды
.
По конфигурации цикл ПВРД совпадает с циклом ГТУ, в которой
топливная смесь сгорает при
. Тогда сразу можно записать по
аналогии с (3.1) формулу для термического КПД ПВРД
(3.19)
Где
– степень повышения давления воздуха в диффузоре.
При скоростях полета 900 – 1000 км/час
Эффективно работают ПВРД при
, поэтому пуск ПВРД
производят после разгона летательного аппарата с помощью стартовых
ракетных ускорителей.
3.5.2 Пульсирующий воздушно-ракетный двигатель (ПуВРД)
Схема ПуВРД представлена на рис.3.16.
47
1
2
3
4
5
6
Рис.3.16.Схема пульсирующего воздушно-реактивного двигателя:
д
1иффузор,2- клапанное устройство; 3- форсунки; 4 – камера сгорания;5
– сопло; 6- выхлопная труба.
Топливо впрыскивается через форсунки 3, образуя топливную смесь с
воздухом, сжатым в диффузоре 1.
Воспламенение топливной смеси производится в камере сгорания 4, от
электрической свечи. Горение топливной смеси, впрыскиваемой в
определенных количествах, длится сотые доли секунды. Как только давления
в камере сгорания становится больше давления воздуха перед клапанным
устройством, происходит закрытие пластинчатых клапанов. При достаточно
большом объеме сопла 5 и выхлопной трубы 6, установленной специально
для увеличения объема, создается подпор газов, находящихся в камере
сгорания. За время сгорания топлива изменение количества газов в объеме за
камерой сгорания пренебрежимо мало, поэтому считают, что горение идет
при постоянном объеме.
После сгорания порции топлива давление в камере сгорания понижается
так, что клапаны 2 открываются и впускают новую порцию воздуха из
диффузора.
48
На рис.3.17. представлен идеальный термодинамический цикл
пульсирующего ВРД.
Процессы цикла:
P
P3
1-2 – сжатие воздуха в диффузоре;
3
2-3 – изохорный подвод теплоты
q1
P2
в
камере сгорания;
3-4 – адиабатное расширение газов в
2
сопле;
4-1 – изобарное охлаждение
P1
1
q2
4
продуктов сгорания в атмосфере при
с отводом теплоты
V
.
Рис.3.17. Цикл ПуВРД.
Как следует из рис.3.17 , цикл ПуВРД не отличается от цикла ГТУ с
изохорным подводом теплоты. Тогда по аналогии с (3.8.) можно сразу
записать формулу для термического КПД ПуВРД
(3.20.)
Где
- степень добавочного повышения давления в камере сгорания;
– степень повышения давления в диффузоре.
Таким образом, у пульсирующего ВРД термический КПД больше, чем у
ПВРД за счет большей среднеинтегральной температуры теплоподвода.
Усложнение конструкции ПуВРД повлекло за собой увеличение его
массы по сравнению с ПВРД.
49
3.5.3. Компрессорные турбореактивные двигатели (ТРД)
Эти двигатели получили наибольшее распространение в авиации. В ТРД
происходит двухступенчатое сжатие воздуха (в диффузоре и в компрессоре)
и двухступенчатое расширение продуктов сгорания топливной смеси (в
газовой турбине и в сопле).
Принципиальная схема ТРД представлена на рис 3.18.
1
2
3
4
5
wa
V
Wa
W=V
Р
Р=Рат м
W
Рат м
Рис.3.18. Принципиальная схема ТРД и характер изменения параметров
рабочего тела в газо-воздушном тракте:
1-диффузор;2-осевой компрессор;3- камера сгорания; 4- газовая турбина; 5сопло.
Давления набегающего потока воздуха сначала повышается в диффузоре
1, а затем в компрессоре 2. Привод компрессора осуществляется от газовой
турбины 4. Топливо подается в камеру сгорания 3, где вместе с воздухом
образует топливную смесь и сгорает при постоянном давлении. Продукты
сгорания сначала расширяются на лопатках газовой турбины 4, а затем в
сопле. Истечение газов из сопла с большей скоростью создает силу тяги,
движущую самолет.
50
Идеальный термодинамический цикл ТРД аналогичен циклу ПВРД, но
дополняется процессами в компрессоре и турбине (рис.3.19).
P
q1
3
4
5
2
1
6
q2
V
Рис.3.19. Идеальный цикл ТРД в P-V диаграмме
Процессы цикла:
1-2 – адиабатное сжатие воздуха в диффузоре;
2-3 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;
3-4 – изобарный подвод теплоты
от сгорания топливной смеси в камере
сгорания;
4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания на лопатках турбины;
5-6 – адиабатное расширение продуктов сгорания в сопле;
6-1 – охлаждение продуктов сгорания в атмосфере при постоянном давлении
с отдачей теплоты
.
Термический КПД определяется по формуле (3.19):
(3.21.)
Где
– результирующая степень повышения давления воздуха в диффузоре
и компрессоре.
51
Благодаря более высокой, чем у ПВРД степени сжатия ТРД имеет более
высокий термический КПД. Без каких-либо стартовых ускорителей ТРД
развивает необходимую силу тяги уже на старте.
3.5.4. Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД)
Топливом в них является жидкое топливо (водород, его соединения с
углеродом и др.). В качестве окислителя используется жидкий кислород ,
перекись водорода, азотная кислота и др.
Принципиальная схема ЖРД и идеальный цикл представлены на
рис.3.20. и 3.21.
1
3
7
5
6
w
2
8
4
Рис.3.20. Принципиальная схема ЖРД: 1- бак горючего; 2- бак
окислителя; 3- питательный насос горючего; 4-питательный насос
окислителя; 5- камера сгорания; 6- сопло; 7- форсунки горючего; 8- форсунки
окислителя.
Рабочие компоненты топлива – горючее и окислитель – подаются из
баков питательными насосами к форсункам и далее в камеру сгорания.
Впрыснутое через форсунки топливо перемешивается и сгорает при
постоянном давлении.
52
P
P2 2
q2 3
2'
Ац
P1 1
1'
0
V1
4
q2
V4
V
Рис.3.21.Идеальный цикл ЖРД в P-V диаграмме.
Процессы цикла:
1’-2’ – изохорное сжатие топлива в питательных насосах;
2’-3 – изобарный подвод теплоты
в камере сгорания;
3-4 – адиабатное расширение продуктов сгорания в сопле;
4-1 – охлаждение газов в атмосфере.
Обычно объем жидкого топлива по сравнению с объемом газа пренебрегают
и процесс 1’-2’ заменяют процессом 1-2.
Полезная работа цикла
(3.22.)
Полагая процессы в питательных насосах адиабатными получим
(3.23.)
Подведенная в цикле теплота, равная теплоте сгорания топлива
(3.24)
Из равенства
выразим
+
И подставим в формулу (3.24)
(3.25)
Тогда термический КПД цикла ЖРД
53
(3.26.)
Пренебрегая работой питательных насосов, то есть полагая
,
получим
(3.27)
Преимущества ЖРД:
В
1)
озможность полетов в безвоздушном пространстве;
Н
2)
езависимость тяги от скорости полета;
3)
Простота конструкции и малая удельная масса (отношение массы ЖРД
к единице тяги)
Недостатки:
С
1)
равнительно низкий КПД;
2)
Необходимость в запасах окислителя.
54
55
