2.3.1. Коефіцієнт корисної дії двз

Термічний ККД характеризує обраний для двигуна цикл роботи без втрат

на тертя, охолодження і теплопередачу, тобто степінь використання теплоти в

циклі. Для циклу зі згоранням при сталому об’ємі

1

,t  1  k

 1

де ε – степінь стиску;

k – показник адіабати паливної суміші.

Індикаторний ККД характеризує втрати теплоти під час роботи двигуна в

реальних умовах (на охолодження, з відпрацьованими газами, на випроміню-

вання тощо, крім втрат на тертя). Індикаторний ККД є відношенням кількості

теплоти, перетвореної в роботу, до усієї підведеної теплоти

1Ni

і ,

рр

bі  Qн Bi  Qн

де Nі – індикаторна потужність двигуна, Вт;

bі – питома витрата палива на 1 Вт індикаторної потужності, кг/Вт∙с;

Bі – витрата палива в двигуні, кг/с;

р

Qн – нижча робоча теплота згорання палива, Дж/кг.

Ефективний ККД враховує теплові та механічні втрати у двигуні

N еф1

еф ,

рр

bеф  Qн Bеф  Qн

Nеф – ефективна потужність двигуна, Вт;

bеф – питома витрата палива на 1 Вт ефективної потужності, кг/Вт∙с.

Механічний ККД враховує втрати на тертя валів, кілець тощо і визначає

частку індикаторної роботи, яка перетворюється в корисну на валу двигуна

N

еф

мех ;

Nі

ηеф = ηі∙ηмех.

де

2.3.2. Потужність ДВЗ

Індикаторна потужність двигуна, Вт,

d

2 LPі nz

Nі ,

4r

d – діаметр циліндра, м;

L – хід поршня, м;

Pі – середній індикаторний тиск, Па (для карбюраторних ДВЗ Pі = (6÷10)×

×105 Па);

п – частота обертання колінчастого валу, с–1;

z – кількість циліндрів;

r – тактність двигуна (для двотактного r = 1, для чотиритактного r = 2).

де

19

де

Ефективна потужність на валу, Вт,

N

еф = Nі∙ηмех,

ηмех = 0,800,90 – механічний ККД двигуна.

2.3.3. Витрата палива

Кількість палива, яка витрачається на 1 Вт індикаторної потужності та ха-

рактеризує економічність робочого циклу, називається індикаторною витра-

кг

тою палива,,

Вт  с

B1

bі  і 

,

рN і і Qн

де Ві – витрата палива, кг/с.

Тепловий баланс ДВЗ характеризує розподіл теплоти, яка виділилася при

згоранні палива, на корисну роботу, втрати з відпрацьованими димовими газа-

ми та в системі охолодження двигуна. Оскільки прихід теплоти має дорівнюва-

ти її витратам, то рівняння теплового балансу

Q = Qеф + QR + Qох + Qн.з + Qін,

де Q – теплота, яка виділилася при згоранні палива, Дж;

Qеф – теплота, яка перетворена на корисну роботу двигуна, Дж;

QR – втрати теплоти з відпрацьованими газами, Дж;

Qох – втрати теплоти на охолодження двигуна водою і мастилом, Дж;

Qн.з – втрати теплоти внаслідок неповного згорання палива, Дж;

Qін – інші втрати, Дж.

Теплова потужність (таплопродуктивність) палива, Вт,

р

Q  Bi Qн ,

де Bі – витрата палива, кг/с;

р

Qн – нижча робоча теплота згорання палива, Дж/кг.

Втрати теплоти з відпрацьованими газами, Вт,

QR = i1 – i2,

де i1, i2 – ентальпії відповідно паливної суміші та продуктів згорання палива,

Вт.

Ентальпію паливної суміші для рідкопаливних ДВЗ приймаємо рівною енталь-

пії повітря, Вт,

i1 

де

Bпов iпов

,

2897

B

пов – витрата повітря у двигуні, кг/с;

iпов – ентальпія повітря при нормальних умовах, Дж/кг.

Ентальпія продуктів згорання, Вт,

i2 = BпалMRi″,

де Bпал – витрата пального, кг/с.

MR – вміст продуктів згорання в 1 кг палива, моль/кг.

20

i″ – ентальпія продуктів згорання палива при температурі вихлопних газів

(див. додаток 1).

Теплота, яка утилізована в системі охолодження двигуна, Вт,



Qох  Vох C ох Tох  Tох  ,

де Bох – витрата теплоносія у системі охолодження, кг/с;

Cох – середня масова ізобарна теплоємність теплоносія у системі охоло-

Дж

дження,;

кг  К

Tох , Tох – температури теплоносія відповідно на виході та на вході двигу-

на, К.

Втрати теплоти від неповноти згорання палива, Вт,

Qн.з = (284MCO + 241MH)∙103,

де MCO, MH – вміст СО та H у продуктах згорання палива, моль/кг.

Залишковий член рівняння теплового балансу Qін враховує втрати теплоти

у навколишнє середовище шляхом теплової конвекції та випромінювання

Qін = Q – (Qеф + QR + Qох + Qн.з).

2.4. Послідовність виконання лабораторної роботи

1. За макетом, демонстраційними стендами і схемами вивчити будову і прин-

цип дії двигуна внутрішнього згорання.

2. Оволодіти методикою розрахунків основних робочих параметрів ДВЗ.

3. Одержати допуск до виконання лабораторної роботи.

4. Виконати розрахункову частину лабораторної роботи.

5. Оформити та захистити звіт лабораторної роботи.

6. Прибрати робоче місце.

2.5. Розрахункова частина лабораторної роботи

Завдання 1. Визначити ефективний ККД шестициліндрового чотиритакт-

ного карбюраторного двигуна при середньому ефективному тиску Pеф, нижчій

р

теплоті згорання палива Qн , діаметрі циліндра D = 0,092 м, ході поршня

L = 0,082 м, середній швидкості руху поршня υ = 8,2 м/с, витраті палива B. Ви-

хідні дані наведено в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

Остання цифра

номера залікової

книжки

Реф∙105, Па

р

Qн , кДж/кг

1

6,2

2

4,8

3

5,2

4

5,6

5

6,0

6

6,4

7

7,0

8

7,4

44000

8

5,0

9

8,0

41000

9

5,2

0

7,6

38000

0

4,4

44000 28000 30000 34000 36000 38000 40000

1

4,4

2

5,5

3

3,8

4

4,0

5

5,9

6

5,2

7

4,1

Передостання

цифра номера за-

лікової книжки

В∙10–3, кг/с

21

Задача 2. Визначити економію палива (у %), яку дає заміна восьмицилінд-

рового чотиритактного карбюраторного двигуна на дизельний при однаковій

ефективній потужності, якщо у карбюраторного двигуна ефективний тиск Pеф,

робочий об’єм циліндра Vц, частота обертання колінчатого вала n, ефективний

ККД ηеф1, а у дизельного двигуна ефективний ККД ηеф2. Нижча теплота згоран-

рр

ня бензину Qн1 , а дизельного палива Qн2 .Вихідні дані наведено у таблиці 2.2.

Таблиця 2.2

Остання цифра номера

залікової книжки

Pеф∙105, Па

Vц∙10–4, м3

n, об/с

η

еф1

ηеф2

Передостання цифра

номера залікової кни-

жки

р

Qн1 , кДж/кг

р

Qн2 , кДж/кг

1

6,4

11,3

60

0,31

0,38

1

2

4,8

20,0

56

0,22

0,36

2

3

6,2

11,8

58

0,24

0,37

3

4

5,2

5,45

62

0,25

0,38

4

5

7,0

6,25

60

0,28

0,40

5

6

7,4

8,75

64

0,27

0,39

6

7

5,6

10,2

55

0,21

0,40

7

8

7,6

7,45

70

0,26

0,36

8

9

8,0

11,0

54

0,31

0,40

9

0

6,0

9,4

60

0,27

0,36

0

43000 44000 41000 41500 35000 28000 40000 42000 43000 44000

42500 42700 39000 38400 33000 27700 28000 41000 41500 42700

2.6. Контрольні запитання

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

Класифікуйте ДВЗ і вкажіть галузі їх застосування.

Що називається індикаторною діаграмою ДВЗ та яке її призначення?

Що називається робочим процесом ДВЗ?

Класифікуйте ДВЗ за кількістю циклів.

Які показники режимів роботи ДВЗ відносяться до ефективних, а які до ін-

дикаторних?

Якими ККД характеризується теплова економічність ДВЗ?

Що називається тепловим балансом ДВЗ і як його використовують?

Вкажіть порядок підготовки ДВЗ до роботи і його запуску.

Як визначаються втрати теплоти у системі охолодження двигуна?

Як визначаються втрати теплоти з відпрацьованими газами?

Які величини необхідно виміряти, щоби визначити втрати теплоти від непо-

вного згорання?

Чому в рівнянні теплового балансу ДВЗ немає виразу, який би враховував

механічні втрати (на тертя)?

Як визначається теплота згорання і кількість продуктів згорання 1 кг пали-

ва?

2.7. Список літератури

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. – 450 с.

2. Апаи С.И. и др. Практикум по машиноведению. – М.: Просвещение, 1979. –

С. 316-319.

22

3. Павловський Ю.В., Фартушок І.М. Теплотехніка: рекомендації та завдання

для самостійної роботи студентів. – Дрогобич: ДДПУ, 2009. – С. 50-54.

4. Теплотехника (Под ред. В.И.Крутова) М.: Машиностроение, 1986. – С. 149-

168.

5. Швець І.Г., Кіраковський М.Ф. Загальна теплотехніка та теплові двигуни. –

К.: Вища школа, 1977. – С. 77–110.

6. Швець І.Т., Толубінський В.І., Кіраковський М.Ф., Недужий І.О., Шелудь-

ко І.М. Теплотехніка. – К.: Вища школа. – 1969.

2.8. Форма звіту лабораторної роботи

Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка

Інженерно-педагогічний факультет, група _______________

шифр групи

Виконав студент ________________________________________ _____________

прізвище, ім’я, по батькові

дата

Звіт повинен містити:

1) назву лабораторної роботи;

2) мету і завдання лабораторної роботи;

3) схему та опис принципу дії ДВЗ;

4) розрахункову частину;

5) висновки.

23

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 3. ВИВЧЕННЯ БУДОВИ ТА ПРИНЦИПУ

ДІЇ ГАЗОТУРБІННОЇ УСТАНОВКИ

Мета роботи: Ознайомитися з будовою, принципом дії, особливостями

експлуатації та контролю за робочим процесом газотурбінної установки, мето-

дикою розрахунку її робочих характеристик.

3.1. Прилади та обладнання

1. Стенд „Принцип дії газотурбінної установки”;

2. Стенд „Турбореактивний двигун”;

3. Плакати.

3.2. Знання та уміння

Після виконання лабораторної роботи студент повинен ЗНАТИ:

1) загальну будову та призначення основних агрегатів і вузлів газотурбінної

установки (ГТУ);

2) принцип дії ГТУ;

3) галузі застосування ГТУ;

4) переваги та недоліки ГТУ в порівнянні з поршневими ДВЗ;

5) механізм перетворення енергії у проточній частині ГТУ;

6) види палив, які використовуються в ГТУ;

7) особливості процесу згорання палива в ГТУ.

ВМІТИ:

1) визначати основні агрегати, вузли і деталі ГТУ;

2) зображати термодинамічні цикли ГТУ;

3) визначати основні технічні параметри ГТУ

3.3. Основні теоретичні відомості

3.3.1. ГТУ, їх типи, конструкції та принципи дії

Основним недоліком двигуна внутрішнього згорання є наявність в ньому

кривошипно-шатунного механізму, який не дозволяє збільшувати потужність

двигуна шляхом підвищення частоти обертання його колінчастого валу. Потре-

би промисловості, енергетики та транспорту в потужних енергоустановках з

низькими масо-габаритними показниками можуть забезпечити газотурбінні

установки (ГТУ).

В ГТУ відбуваються ті ж основні процеси перетворення хімічної енергії

палива в роботу що і в ДВЗ. Проте у ДВЗ ці процеси мають циклічний (пері-

одичний) характер і відбуваються в циліндрі, а в ГТУ вони неперервні та про-

ходять в окремих агрегатах: робоче тіло (повітря) стискається в компресорі, па-

ливо згорає в камері згорання, продукти згорання розширюються у газовій тур-

біні.

24

ГТУ має ряд переваг над ДВЗ:

1) при однаковій потужності з ДВЗ маса і габарити ГТУ у 2-3 рази менші, що

зумовлено неперервністю робочих процесів і значною швидкістю руху її

робочих елементів (компресора і турбіни);

2) ГТУ значно простіша конструктивно: кількість видів деталей у 2-3 рази

менша, ніж у ДВЗ, а кількість усіх деталей та деталей, виготовлених з ви-

сокою точністю, менша в 4-8 разів;

3) ГТУ краще збалансована завдяки обертальному руху її робочих елементів;

4) ГТУ має вищий механічний ККД за рахунок меншої кількості рухомих

деталей;

5) сприятливіші умови під час згорання палива знижують вимоги до його

якості та зменшують токсичність двигуна;

6) ГТУ краще адаптується до зміни навантаження завдяки практично ліній-

ному зростанню крутного моменту на вихідному валу при зниженні часто-

ти його обертання;

7) ГТУ швидше запускається (особливо при мінусових температурах), менше

витрачає мастила, простіша в управлінні та ремонті.

Недоліки ГТУ:

1) низький ККД ГТУ внаслідок відносно невисокої температури газів перед

турбіною, що зумовлено жаростійкістю її лопаток;

2) висока вартість ГТУ через дорогі жароміцні матеріали;

3) підвищений рівень шуму через велику витрату повітря (і вихлопних газів)

на одиницю потужності;

4) підвищена чутливість до зміни температури і тиску навколишнього сере-

довища.

ГТУ потужністю до 100 МВт використовують на теплових електростанціях

як базові, пікові, аварійні та допоміжні агрегати. Існують ГТУ закритого циклу

потужністю 600-1200 МВт для атомних електростанцій. На суднах використо-

вують ГТУ потужністю від десятків кіловат до десятків мегават як суднові дви-

гуни, для виробництва електроенергії тощо.

Рис. 3.1. Схема газотурбінної установки: 1 – електрогенератор; 2 – газова турбіна;

3 – компресор; 4 – паливний бак; 5 – паливний насос; 6 – камера згоряння

25

Рис. 3.2. Цикл повного розширення з підведенням теплоти при р = const

На локомотивах (газотурбовозах) використовують ГТУ потужністю від 2

до 6 МВт. Надзвичайно поширені ГТУ в авіації. Існують ГТУ для колісних і гу-

сеничних машин потужністю від 20 до 1000 кВт. У нафтовій та газовій промис-

ловості ГТУ використовуються для приводу бурових установок, насосів на

компресорних станціях і магістральних газопроводах тощо.

3.3.2. Компресор ГТУ

У ГТУ використовуються як одноступеневі відцентрові компресори зі сту-

пенем стиску повітря до 5, так і багатоступеневі осьові компресори. Останні до-

зволяють подавати значні об’єми повітря для потужних ГТУ.

Ступінню осьового компресора є один ряд розташованих по колу нерухо-

мих лопаток та обертовий диск або барабан. Рухаючись по каналах між неру-

хомими лопатками, повітря змінює напрям свого руху і гальмується через збі-

льшення площі прохідного перерізу каналів. При цьому зростає тиск повітря.

Рухомі лопатки утворюють канали, які також розширюються по ходу руху по-

вітря. При обертанні цих лопаток зростає кінетична енергія повітря та його

тиск. В одній ступені осьового компресора степінь підвищення тиску не пере-

вищує 1,35. Тому осьові компресори мають від 10 до 15 ступенів.

У відцентровому компресорі тиск повітря зростає як за рахунок енергії, що

передається газу від обертових лопаток (аналогічно як в осьовому компресорі),

так і за рахунок відцентрові сили.

На виході з робочих лопаток компресора повітря має високий тиск і порів-

няно велику швидкість. У дифузорі швидкість повітря зменшується, а тиск зро-

стає.

Під час запуску ГТУ або при роботі з малим навантаженням може виник-

нути помпаж – періодичні миттєві закупорювання компресора. Рухаючись по

криволінійному каналу між лопатками, повітряний потік за інерцією намагаєть-

ся відірватись від опуклої сторони і притиснутися до вгнутої. При зменшенні

витрати повітря через проточну частину компресора зменшується швидкість

руху повітря і зростає площа потоку між лопатками. Виникають періодичні ко-

ливання тиску і швидкості повітря, його викиди з компресора у всмоктувальний

патрубок, вібрація двигуна і характерний звук. Для усунення помпажу встанов-

26

люють протипомпажні клапани, через які із середніх ступенів компресора від-

водиться частина стиснутого повітря.

На стиснення повітря витрачається не вся підведена до валу компресора

робота. Деяка її частина витрачається на подолання тертя у міжлопаткових ка-

налах, підшипниках, на вихроутворення у каналах тощо. Ці витрати враховує

ККД компресора. Для осьових компресорів ηк = 0,85–0,9; для відцентрових

ηк = 0,75–0,82. Як бачимо, при однакових зовнішніх діаметрах роторів і однако-

вих кутових швидкостях їх обертання одноступеневий осьовий компресор має

вищий ККД і більшу подачу у порівнянні з одноступеневим відцентровим.

Проте відцентровий компресор дешевий у виготовленні, простіший у користу-

ванні, менш чутливий до змін швидкісного режиму і забруднення повітря.