Мои Конспекты
Главная | Обратная связь


Автомобили
Астрономия
Биология
География
Дом и сад
Другие языки
Другое
Информатика
История
Культура
Литература
Логика
Математика
Медицина
Металлургия
Механика
Образование
Охрана труда
Педагогика
Политика
Право
Психология
Религия
Риторика
Социология
Спорт
Строительство
Технология
Туризм
Физика
Философия
Финансы
Химия
Черчение
Экология
Экономика
Электроника

Тепловых двигателей



Основными задачами термодинамического метода исследования циклов тепловых двигателей являются:

- определение величины подведенной q1 и отведенной q2 теплоты, а также работы цикла lц;

- определение эффективности преобразования подведенной к рабочему телу теплоты q1 в работу цикла lц, т.е. определение термического КПД цикла ηt и факторов, на него влияющих;

- оценка путей повышения эффективности цикла.

Превращение теплоты в работу в циклах реальных двигателей связано с рядом сложных физических, химических и газодинамических процессов (горение топлива, теплоотдача от рабочего тела в стенки двигателя, течение вязкого газа в различных элементах двигателя и др.). Они изучаются в теории авиационных двигателей.

В технической термодинамике проводятся изучение и исследование идеальных циклов тепловых двигателей. В них реальные процессы заменяются идеальными. При идеализации циклов обычно принимаются следующие допущения:

1) процессы, составляющие цикл, являются обратимыми, т.е. lтрен и другие диссипативные явления отсутствуют;

3) рабочее тело в цикле обладает неизменным химическим составом, если это газ, то он считается идеальным;

4) реальный процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне;

5) цикл считается замкнутым, процесс смены рабочего тела не рассматривается, а заменяется обратимым процессом отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду.

Максимально возможная степень преобразования теплоты в работу цикла достигается в цикле Карно, который осуществляется в том же интервале температур, что и в исследуемом цикле.

Совершенство произвольного обратимого цикла оценивается тем, насколько его термический КПД отличается от термического КПД цикла Карно, осуществляемого в то же интервале крайних температур. Эту оценку выполнить сложно, т.к. трудно вычислить ηt произвольного цикла. Поэтому пользуются следующими методами сравнения эффективности циклов.

 

а) Графический метод сравнения циклов в T,s – координатах

В этих координатах (рис. 6.1) наглядно изображаются теплоты и ,

входящие в выражение для .

 
Рис. 6.1. Графический метод сравнения циклов

Сравним произвольный цикл abcd, осуществляемый в интервале температур Тmax и Тmin с циклом Карно 1234 в этом же интервале температур. Из графика видно, что в произвольном цикле < , а > . Следовательно , поэтому больше произвольного цикла.

 

б) Метод сравнения циклов путем сравнения средних температур подвода и отвода теплоты в цикле.

Для анализируемого цикла можно записать , . Следовательно, , a .

Если анализируемый цикл заменить циклом Карно в интервале температур и , то термический КПД такого цикла будет ниже, чем термический КПД цикла Карно в интервале температур , т.е. меньше, чем .

Таким образом, чем выше в исследуемом цикле и ниже , тем выше его термический КПД и тем ближе он к циклу Карно, осуществляемом в интервале температур .

 

6.2. Цикл газотурбинных двигателей – цикл Брайтона

Данный цикл называется также циклом с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.2а и 6.2б).

От исходного состояния 1 рабочее тело сжимается в адиабатном процессе 1-2. Далее в изобарном процессе 2-3 к нему подводится извне теплота . Затем происходит адиабатное расширение рабочего тела в процессе 3-4 до давления р4, равного исходному давлению р1. Отвод теплоты происходит в замыкающем цикл изобарном процессе 4-1, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние 1.

Для исследования цикла Брайтона необходимо задать:

- род рабочего тела (k, R) и его параметры и в исходной точке цикла 1;

- степень повышения давления в адиабатном процессе сжатия

и степень подогрева рабочего тела в цикле

 

Рис. 6.2. Цикл Брайтона  

 

Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла. При этом для упрощения записей введём обозначение e = Тогда

Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изобарного процесса 2-3

Для изобарного процесса 4-1 =

Тогда термический КПД цикла Брайтона равен

или

Отсюда видно, что значение термического КПД цикла Брайтона зависит от рода рабочего тела (k) и степени повышения давления в цикле p (рис. 6.3).

   
Рис. 6.3 Рис. 6.4  

Увеличение p является одним из основных средств повышения и, следовательно, экономичности тепловых машин, работающих по циклу Брайтона.

Практически все современные воздушно-реактивные и газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. У авиационных двигателей значение p в наземных условиях достигает 25…30, а в полёте и того более.

Найдём выражение для работы цикла

.

Как видно, работа цикла зависит от рода рабочего тела (k, R), его начальной температуры Т1, степени повышения давления и степени подогрева рабочего тела в цикле. С ростом , Т1 и работа цикла растёт.

Работа цикла обращается в нуль при двух значениях , соответствующих e = 1 и e = (рис. 6.4). Следовательно, между этими крайними значениями p имеется некоторое оптимальное значение , при котором работа цикла максимальна. Для определения продифференцируем формулу для по e и приравняем производную нулю: = 0.

Отсюда получим = или =

Как видно, для данного рабочего тела величина в идеальном цикле Брайтона зависит только от степени подогрева . С увеличением увеличивается и значение l и .

Следует отметить, что при термический КПД цикла не достигает максимального значения. В области значений > он продолжает увеличиваться с ростом p, но величина работы цикла при этом будет уменьшаться и достигнет нулевого значения при =

При работа цикла при увеличении Δ линейно возрастает.

Рассмотренный цикл Брайтона реализуется в ряде типов существующих двигателей. В авиации это турбореактивные (рис. 6.5) и турбовинтовые двигатели (рис. 6.6), а также вертолётные газотурбинные двигатели (рис. 6.7). Цикл Брайтона применяется, кроме того, в турбостартёрах и в газотурбинных установках (ГТУ), используемых как вспомогательные силовые установки на тяжёлых самолётах различного назначения.

     
Рис. 6.5. Схема ТРДД Рис. 6.6. Схема ТВД Рис. 6.7. Схема ТВаД  

Применительно к ТРД (рис. 6.5) идеальный цикл Брайтона протекает следующим образом. Рабочее тело (воздух) поступает в двигатель из атмосферы через входное устройство. Адиабатный процесс сжатия воздуха 1-2 (рис. 6.2) происходит во входном устройстве и в компрессоре. С ростом скорости полёта повышение давления во входном устройстве становится всё более значительным, и параметры воздуха на входе в компрессор значительно отличаются от атмосферных параметров (точка в на рис. 6.2). В камере сгорания при постоянном давлении происходит сгорание топлива (процесс 2-3) и к воздуху подводится теплота . Продукты сгорания (газ) с параметрами p , T поступают в газовую турбину, которая служит для привода компрессора. Адиабатное расширение газа (процесс 3-4) происходит в турбине и сопле. Состояние газа за турбиной изображено на рис. 6.2 точкой Т. При расширении в турбине часть энергии газа преобразуется в работу на валу турбины, которая передаётся компрессору. При расширении в сопле происходит разгон потока и он в виде газовой струи с большой скоростью вытекает в атмосферу. Изобарный процесс 4-1 соответствует охлаждению в окружающей атмосфере горячих продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, с отводом теплоты

Вертолётные ГТД (рис. 6.6) и ТВД (рис. 6.7) используются на летательных аппаратах, предназначенных для полета с дозвуковой скоростью. Поэтому повышение давления во входных устройствах этих двигателей практически не происходит, и сжатие воздуха осуществляется только в компрессоре. У этих двигателей только часть работы турбины затрачивается на привод компрессора. Значительная часть её передаётся через редуктор на воздушный винт. Поэтому у ТВД и вертолётных ГТД процесс расширения продуктов сгорания происходит в турбине практически до атмосферного давления и через выходное устройство они отводятся в атмосферу.

 




Поиск по сайту:







©2015-2020 mykonspekts.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.