7. Источники тепла в двигателе. Максимально и минимально возможные уровни температур

Основными источниками тепла в газотурбинном двигателе являются:

• тепловой эффект реакций окисления (горения) топлива кислородом воздуха,

• фазовое превращение воды при движении окружающего воздуха по тракту двигателя и изменении его температуры (конденсация паров) или впрыске воды (испарение) в газовый тракт,

• превращение механической (кинетической) энергии в тепло при взаимодействии движущегося рабочего тела с неподвижными поверхностями, в результате чего возникает градиент скорости у обтекаемой поверхности и, соответственно, пропорционально ему напряжение, сила и мощность трения, которая необратимо переходит в тепло (лопаточные машины, подшипниковые обоймы и т.д.), т.е. в хаотическое движение частиц.

Все эти источники тепла взаимодействуют друг с другом через конструкцию двигателя посредством тепловых потоков, формируя сложную картину распределения температур (и термоупругих напряжений) в деталях двигателя.

Связь между количеством топлива и параметрами в начале и в конце процесса подвода тепла в камере сгорания устанавливается в соответствии с законом Гесса:

8. Закон Гесса(Связь между количеством топлива и параметрами в начале и в конце процесса подвода тепла в камере сгорания)

Тепловой эффект реакции является функцией состояния системы, т.е. зависит только от ее начального и конечного состояний и не зависит от промежуточных стадий (т.е. пути перехода от начального к конечному состоянию).

Поскольку в процессе окисления горючего и, соответственно, выделения тепла происходит изменение молекулярного состава рабочего тела (т.е. к двум независимым переменным Р и Т прибавляется третья - молекулярный состав), то для определения количества топлива, необходимого для нагрева рабочего тела от температуры Т₂* до Т₃* с помощью одного уравнения сохранения энергии необходимо две переменных зафиксировать (р= сопst Т= сопst ), т.е. рассматривать изобарно-изотермический процесс изменения молекулярного состава. В этом случае первый закон термодинамики dQ = du + pd может быть выражен в виде dQ = du + pd + dp ( т.к. dp = 0 ) и, учитывая, что i = du + d (p), получим dQ = di (т.е. закон Гесса, т.к. энтальпия i есть функция состояния системы).

9. Диаграмма теплового баланса при сгорании (окислении) топлива. Высшая и низшая теплотворные способности топлива

Тогда, зная теплоту образования (Qp) исходного продукта ( например, углеводородное топливо типа метана СН₄ или составную часть керосина - циклогексан С₆ Н₁₂ и т.п. ) и теплоту образования продуктов сгорания

( СО₂, Н₂ О, NО₂) и их массовые доли, можно определить количество топлива, необходимое для нагрева рабочего тела до заданной температуры ( Т₃ ). Уравнение баланса энергии для этого процесса имеет вид

Соответственно, изображение этого процесса в координатах i - Т

Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, выделившееся в результате полного окисления одного килограмма топлива. Очевидно, что теплотворная способность - это разность теплот образования продуктов сгорания при стехиометрическом составе тепловоздушной смеси и исходного топлива. Однако необходимо отметить, что при определении теплового эффекта реакции продукты сгорания принято охлаждать до +25 С. В процессе охлаждения при T = +100 С происходит фазовый переход водяного пара в жидкое состояние с выделением тепла. В результате мы имеем т. н. высшую теплотворную способность топлива. Однако при температурах горения Т  1400 смеси это добавочное количество тепла не может быть реализовано, так как в процессе перехода от +25 С до Т_пс оно поглощается в фазовом переходе воды из жидкого в паровое состояние. В результате вводится понятие низшей теплотворной способности (Н_u) топлива, отличающейся от высшей на величину скрытой теплоты парообразования воды. Для авиационного керосина эта величина (Н_u) составляет 43 000 кдж/кг; для водорода - Н_u = 120 000 кдж/кг.