Lekcii_po_TekhnichTermodinamike

105

холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу. Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в

процессе изотермического расширения (подвод теплоты q1`` , и работы,

затраченной в процессе изотермического сжатия (отвод теплоты q2`` ):

Термический кпд цикла при идеальном регенераторе

Подставив значения q1" и q2" в (11.8), получим

Так как изохоры идеального газа на Ts-диаграмме эквидистантны (см. § 7.5), то

Таким образом, термический кпд цикла Стирлинга с полной регенерацией теплоты равен термическому кпд цикла Карно.

Если ввести параметры цикла: a c — степень сжатия и T1 T2 — степень повышения температуры, то термический кпд цикла может быть преобразован к виду

Двигатели Стирлинга завоевали право на широкое применение. Они достигли уровня современных дизелей, а по некоторым показателям превзошли их: менее токсичны, меньше уровень шума и могут работать с практически любыми источниками теплоты. Так, был создан и испытан в космическом пространстве для привода регенератора двигатель Стирлинга, в котором в качестве источника теплоты использовалась энергия солнечных лучей.

106

ЛЕКЦИЯ 17

Циклы газотурбинных установок

Газотурбинные установки (ГТУ) относятся к числу двигателей внутреннего сгорания. Газ, получившийся в результате сгорания топлива в камере сгорания, направляется в турбину. Продукты сгорания, расширяясь в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины, производят на колесе турбины механическую работу.

Газотурбинные установки по сравнению с поршневыми двигателями обладают целым рядом технико-экономических преимуществ:

1)простотой силовой установки;

2)отсутствием поступательно движущихся частей;

3)получением больших чисел оборотов, что позволяет существенно снизить вес и габариты установки;

4)получением больших мощностей в одном агрегате;

5)осуществлением цикла с полным расширением и тем самым с большим термическим кпд;

6)применением дешевых сортов топлива (керосин).

Эти преимущества ГТУ способствовали ее распространению во многих областях техники и особенно в авиации.

В основе работы ГТУ лежат идеальные циклы, состоящие из простейших термодинамических процессов. Термодинамическое изучение этих циклов базируется напосылках, аналогичных тем, которые были сделаны в гл. 11, а именно: циклы обратимы, подвод теплоты происходит без изменения химического состава рабочего тела цикла, отвод теплоты предполагается обратимым, гидравлические и тепловые потери отсутствуют, рабочее тело представляет собой идеальный газ с постоянной теплоемкостью.

К числу возможных идеальных циклов ГТУ относят:

Во всех циклах ГТУ теплота при наличии полного расширения в турбине отводится при постоянном давлении.

Цикл гту с подводом теплоты при p=const (цикл Брайтона)

Из перечисленных циклов наибольшее практическое применение получил цикл с подводом теплоты при р= const.

107

Схема простейшей ГТУ со сгоранием топлива при постоянном давлении дана на рис. 12.1. Компрессор 1, приводимый в движение газовой турбиной 4, подает сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую через форсунку впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 2, находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу. При сделанных в начале главы допущениях термодинамический цикл ГТУ со сгоранием при р =

1ez2 и 1ас2, соответственно равных работе турбины и компрессора.

На этих диаграммах: а-с — процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; c-z — процесс подвода теплоты в камеру сгорания при p = const; z-e—адиабатный процесс расширения газа в турбине; е-а — изобарный процесс отдачи газом теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются степень повышения давления воздуха

πpc pa и степень предварительного расширения ρ z c . Термический кпд цикла определяют из общего выражения

Параметры газа в узловых точках цикла находят по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах:

109

котором работа цикла будет максимальной, но не будет обеспечен максимум термического кпд:

экономичности газотурбинной установки, повышение этой величины приводит к росту температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Но температура лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки. В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 1100... 1200°С и дальнейшее повышение температуры может быть достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми, лопатками. При расчете высокотемпературных ГТУ необходимо учитывать переменные значения теплоемкости cp=f(T), энтальпии h=f(T), показателя адиабаты k=f(T) как в процессе расширения в турбине, так и в процессе сжатия, особенно в многоступенчатых компрессорах.

Цикл гту с подводом теплоты при const (цикл Гемфри)

В газотурбинной установке, работающей по этому циклу, процесс сгорания идет в замкнутом объеме камеры.

Схема ГТУ со сгоранием при const изображена на рис. 12.4. Компрессор 1, приводимый во вращение турбиной 6, подает сжатый воздух в камеру сгорания 4 через управляемый клапан 7. Второй клапан 5 находится в конце камеры сгорания и предназначен для выхода продуктов сгорания на турбину. Топливо в камеру сгорания подается насосом 2, находящимся на валу турбины, через форсунку. Подача топлива должна осуществляться периодически топливным клапаном 3.

В камере сгорания при закрытых клапанах 7 и 5 происходит процесс горения топлива в постоянном объеме.

При увеличении давления клапан 5 открывается и продукты сгорания поступают в сопловой аппарат и на лопатки турбины 6. При прохождении через лопатки турбины газ совершает работу и выбрасывается в окружающую среду.

111

Из сравнения между собой циклов с подводом теплоты при p=const и

const на pи Ts-диаграммах (рис. 12.7, а, б) видно, что при одной и той

же степени повышения давления и одинаковом отводимом количестве теплоты цикл при const выгоднее цикла при p = const.

Это объясняется большей степенью расширения в цикле const , а следовательно, и большими значениями термического кпд. Несмотря на это преимущество, цикл с подводом теплоты при const широкого применения в практике не нашел в связи с усложнением конструкции камеры сгорания и ухудшением работы турбины в пульсирующем потоке газа, хотя работы по совершенствованию этого цикла продолжаются.

Регенеративные циклы

Одной из мер повышения степени совершенства перехода теплоты в работу в ГТУ является применение регенерации теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Экономичность ГТУ при применении регенерации повышается.

112

Схема установки с регенерацией представлена на рис. 12.8. Воздух из компрессора 1 направляется в теплообменник 3, где он получает теплоту от газов, вышедших из турбины 5. После подогрева воздух направляется в камеру сгорания 4, в которую через форсунку от насоса 2 подводится топливо. Воздух, уже нагретый отработавшими газами турбины, получает в камере сгорания меньшее количество теплоты для достижения определенной температуры газа перед турбиной.

На pи Ts-диаграммах цикла (рис. 12.9, а, б): а-с — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; с-1 — изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 1-z

— подвод теплоты при р = const в камере сгорания; z-e — адиабатное расширение газа в турбине; е-2 – отдача теплоты при p = const в регенераторе; 2-а – отдача теплоты при p = const в окружающую среду.

113

ЛЕКЦИЯ 18

Циклы Реактивных Двигателей

Законы истечения газов, описывающие превращение энергии давления в количество движения, находят в настоящее время важное применение в проектировании реактивных двигателей. В таких двигателях теплота, полученная от сгорания топлива, преобразуется в кинетическую энергию продуктов сгорания и используется для получения т я г и . Сила тяги газов, вытекающих из сопла,

P = G(ω – V),

(13.1)

где G – расход газов, кг/с; ω – скорость истечения газов из сопла, м/с; V — скорость летательного аппарата, м/с. Тяга, отнесенная к расходу, называется у д е л ь н о й .

Реактивные двигатели могут быть подразделены на две основные группы: воздушно-реактивные двигатели (ВРД)—бескомпрессорные и

компрессорные; ракетные двигатели (РД) – жидкостные и работающие на твердом

топливе.

Все типы реактивных двигателей применяют в современной авиации; развитие этих двигателей позволило создать космические аппараты, которые преодолели притяжение Земли, достигли Луны, Венеры, Марса и вышли на эллиптические орбиты вокруг Солнца.

Бескомпрессорные воздушно-реактивные двигатели

Бескомпрессорные ВРД делятся на прямоточные, в которых процесс сгорания топлива происходит при р = const, и пульсирующие, в них сгорание топлива осуществляется при υ = const.

В п р я м о т о ч н ы х д в и г а т е л я х (ПВРД) процессы протекают непрерывно. Сжатие воздуха в прямоточном двигателе осуществляется за счет скоростного напора. При этом входная часть двигателя при дозвуковых скоростях полета должна быть спрофилирована так, чтобы в зоне горения скорость потока была порядка 150 м/с. Это необходимо для обеспечения безотрывного процесса горения топлива, впрыскиваемого через форсунки в камеру сгорания. Постоянство давления в камере сгорания достигается подбором поперечных сечений камеры.

На рис. 13.1, а дана простейшая схема ПВРД для сверхзвуковых скоростей полета. На схеме показаны между сечениями I – I и II – II – входной диффузор, II – II и III – III – камера сгорания, III – III и IV – IV – сопло. В нижней части рис. 13.1, а дан график изменения давления и скорости газа по тракту двигателя. На υp-диаграмме теоретического цикла ПВРД (рис. 13.1, б) линия a-с соответствует процессу адиабатного сжатия воздуха в диффу зоре, c-z – процессу изобарного подвода теплоты, z-е – адиабатному расширению

114

продуктов сгорания в сопле, линия е-а – охлаждению продуктов сгорания (отвода теплоты в окружающую среду). Как видно, цикл ПВРД со сгоранием при p = const аналогичен циклу ГТУ со сгоранием при р = const. Поэтому термический кпд цикла может быть определен по формуле (12.1)

Д

(13.2)

получим термический кпд ПВРД

Как πд, так и ηt возрастают с увеличением скорости полета, но с уменьшением скорости экономичность двигателя и тяга резко падают, а при нулевой скорости тяга будет равна нулю. Поэтому для запуска аппаратов с ПВРД требуются дополнительные стартовые двигатели. Области скоростей полета, целесообразных для применения прямоточного двигателя, лежат в диапазоне скоростей, в 2...3 раза превышающих скорость звука.

В п у л ь с и р у ю щ и х д в и г а т е л я х (ПуВРД) для осуществления процесса горения топлива при постоянном объеме необходимо в сечениях II – II и III – III (рис. 13.1, а) поставить клапаны, которые при горении топлива разобщают камеру сгорания, входной диффузор и реактивное сопло. Впрыск топлива осуществляется периодически, когда эти клапаны закрыты.

Цикл ПуВРД аналогичен циклу ГТУ с подводом теплоты при υ=const (см. рис. 12.5), где процесс а-с соответствует сжатию воздуха во входном диффузоре, c-z – подводу теплоты при сгорании топлива, z-e – расширению газа