На рабочей и тепловой диаграммах:
обозначения в цикле газотурбинного двигателя: I-II – изоэнтропное сжатие
воздухав компрессоре; II-I – изобарный отвод теплоты от наддувочного воздуха; II-III – изобарный подвод теплоты к газу перед турбиной; III-IV – изоэнтропное расширение в турбине;IV-I – изобарный отвод теплоты в окружающую среду в цикле газотурбинного двигателя;
обозначения в цикле ДВС: 1-2 – изоэнтропное сжатиевоздуха в цилиндре дизеля; 2-3 и 3-4 – изохорный и изобарный подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре; 4-5 – изоэнтропное расширение в цилиндре; 5-1 – изохорный отвод теплоты от отработавшего газа ДВС
Решение
Комбинированный двигатель состоит из поршневого ДВС и открытой газотурбинной установки (ГТУ), которая используется как для наддува ДВС, так и для производства полезной работы. Термодинамический цикл комбинированного двигателя приведен на рис. 2.2.
В предыдущей задаче 3 начальное давление воздуха в цикле ДВС равно 0,19 МПа и обеспечивается предварительным сжатием подаваемого в цилиндр дизеля воздуха, сжимаемого в компрессоре, обычно работающего на отработавших газах ДВС.
Как известно, в открытой ГТУ теплота к рабочему телу подводится по изобаре (см. рис. 2.2). Тогда
,
где TII — температура воздуха после компрессора, которая определяется из уравнения адиабатного процесса I-II
,
тогда
.
При расчете ТII приняты значения давления 0,1 МПа и температуры ат-мосферного воздуха 20 °С.
Из уравнения для расчета подводимой теплоты в изобарном процессе определяем температуру рабочего тела перед турбиной
.
где кДж/кг – теплота отводимая в цикле ДВС.
Определяем удельный объем в точках I, II и III из уравнения состояния идеального газа
точка
I
точка
II
точка
III
Температура в конце адиабатного расширения газов в турбине (точка IV)
,
тогда
.
Удельный объем газов в конце процесса расширения газов в турбине
.
Теплота, отводимая в цикле ГТУ I-II-III-IV-I
.
Количество теплоты, превращаемой в работу в цикле ГТУ
.
Рассчитаем теперь работу цикла ГТУ путем непосредственного расчета значений работы отдельных процессов через переменные p и v.
Техническая работа:
— получаемая при адиабатном расширении газов в турбине (процесс III-IV)
— затрачиваемая на адиабатное сжатие воздуха в компрессоре (процесс I-II)
.
— изобарных процессов подвода II-III и отвода теплоты IV-I равны нулю.
Суммарная (полезная) работа, получаемая в цикле ГТУ равна
.
Значения работы, рассчитанные двумя способами, практически совпали.
Итак, используя энергию отработавших газов ДВС в комбинированном двигателе, можно дополнительно получать полезную работу помимо работы, используемой для сжатия наддувочного воздуха. В данной задаче такая работа равна 37,67 кДж/кг. Дополнительную работу можно использовать, например, для привода насосов охлаждающей воды главного двигателя судовой дизельной установки. Это повысит эффективность судовой энергетической установки (но несколько усложнит её).