11.2. Схема простейшей тепловой машины

Рассмотрим для примера простейший электрогенератор, принципиальная схема которого показана на рис. 33.

Длительно действующую тепловую машину можно создать, если положить в основу ее функционирования режим кругового термодинамического процесса, когда в ходе цикла подводимая к РТ энергия частично возвращается РТ для того, чтобы вернуть его в исходное состояние. При этом желательно добиться, чтобы по возможности большая доля подводимой энергии преобразовывалась в полезную работу РТ над ОС.

В рассматриваемом примере первично подведенная к РТ энергия q при расширении РТ через систему “поршень-привод” передается маховику и ротору электрогенератора. В дальнейшем энергия, накопленная при вращении маховиком, расходуется на возвращение РТ в исходное состояние. Затем описанный цикл непрерывно повторяется на протяжении необходимого промежутка времени.

11.3. Воздушно-реактивный двигатель и его цикл

Рассмотрим простейший воздушно-реактивный двигатель (ВРД) и составим цикл его работы (рис. 34).

Исследование любой тепловой машины начинают с составления и описания ее цикла. Вообще говоря, процесс работы всех тепловых машин можно привести к тому или иному циклу, правда, делая некоторые исходные допущения.

Рассмотрим работу реального авиационного ВРД (в изучаемом случае – газотурбинного, т.е. ГТД). С большой степенью достоверности можно считать, что цикл ВРД включает в себя четыре частных термодинамических процесса (см. рис. 34).

Процесс 1–2 – адиабатное (без теплообмена с ОС) сжатие воздуха (он является как составной частью РТ ВРД, так и компонентом горючего – за счет содержащегося в нем кислорода-окислителя), поступающего из ОС, компрессором.

l_пол = l_1–3 – l_3–1

Рис. 33. Принципиальная схема простейшей тепловой машины и рабочая диаграмма ее цикла

Процесс 2–3 – изобарный подогрев РТ в камере сгорания вследствие горения керосина (топлива) в кислороде воздуха.

Процесс 3–4 – адиабатное расширение нагретого РТ (воздуха и продуктов сгорания керосина) сначала на лопатках турбины, а затем – в канале сопла.

Процесс 4–1 – изобарное охлаждение истекшего из сопла РТ в окружающей атмосфере. Теоретически полагается, что остывший до температуры ОС воздух можно снова подать на вход тракта ВРД и использовать опять, чего, конечно, в реальности не происходит.

ВРД является открытой ТДС. Цикл работы ГТД называют циклом Брайтона.

Рис. 34. Схема простейшего ВРД (входное устройство условно не обозначено) и его рабочая диаграмма: – работа газа над турбиной; – преобразование тепловой энергии РТ в кинетическую энергию потока (реактивной струи); 1–2 – адиабатное сжатие РТ; 2–3 – изобарное нагревание РТ; 3–4 – адиабатное расширение РТ; 4–1 – изобарное охлаждение РТ

11.4. Коэффициент полезного действия цикла

Р ассмотрим тепловую диаграмму произвольного цикла (рис. 35). Предположим, что количество подведенной в ходе цикла к ТДС теплоты q_под больше, чем отведенной q_отв. Тогда количество полезной теплоты q_пол будет равно –

q_пол = q_под – q_отв.

Рис. 35. Тепловая диаграмма произвольного цикла

Коэффициентом полезного действия (КПД) цикла называют отношение количества полезной теплоты (полезной работы) к общему количеству теплоты (энергии), подведенной к РТ, т.е. –

η_Т = (q_под – q_отв)/q_под = q_пол/q_под.

Записанное выражение является универсальным для определения термического КПД тепловых машин. Чтобы найти значение общего КПД машины, необходимо учитывать так же потери энергии на преодоление сил механического трения, газодинамические потери (в ГТД) и т.д.