Горение при постоянном давлении
Как утверждалось ранее, теоретически горение в ГТД происходит при постоянном давлении. Это частично достигается в непрерывном процессе цикла Брайтона, а фактически камера сгорания не является замкнутым пространством.
Данные обстоятельства препятствуют возникновению колебаний давления, как это происходит в поршневом двигателе, где необходимо приспосабливаться к пиковому давлению, превышающему 1 000 фунтов на квадратный дюйм. Такие давления вынуждают использовать в поршневом двигателе чрезвычайно прочные и тяжелые конструкции и высокооктановые топлива для предотвращения детонации.
На контрасте, в ГТД использование низкооктановых топлив и относительно легких конструктивных методов является, скорее, правилом, чем исключением.
Ограничение температуры в двигателе
ТРД является тепловой машиной. Чем выше температура горения, тем больше расширение газов и эффективность двигателя. Однако существует лимит температуры, которая может достигаться в турбине после камеры сгорания.
Этот лимит обусловлен материалами, из которых изготавливается сопловой аппарат и лопатки рабочих колес.
Использование современных материалов и высокоэффективных методов охлаждения в сопловом аппарате и лопатках рабочих колес позволяет применять более высокие температуры газа в двигателях последних моделей и достигать большей эффективности, чем у предшественников.
Применение газовых законов в гтд
Воздух, который является рабочим телом в ГТД, претерпевает различные изменения: давления, температуры и объема – из-за получения и отдачи теплоты во время рабочего цикла двигателя.
Эти изменения соответствуют принципам, присущим комбинации законов Шарля и Бойля.
Закон Бойля гласит:
Если заданная масса газа сжимается при постоянной температуре, абсолютное давление обратно пропорционально ее объему.
Изолированно от других условий данный закон не особенно полезен для нас. На практике мы не можем сжать газ при постоянной температуре. Однако, если применять этот закон совместно с законом Шарля, он становится более полезным.
Закон Шарля гласит:
Если газ подогревается при постоянном давлении, изменение его объема будет напрямую зависеть от изменения абсолютной температуры, это характерно для всех идеальных газов.
Т.о., объем заданной массы газа с постоянным давлением прямо пропорционален абсолютной температуре данного газа.
Данный закон сам по себе лишь немного лучше предыдущего, т.к. в теории мы имеем горение в ГТД при постоянной температуре, но на практике это неосуществимо.
Поэтому мы должны создать комбинацию законов. Комбинированный газовый закон гласит:
Произведение давления и объема заданного количества газа, разделенное на абсолютную температуру, является постоянной величиной.
Простым языком, это означает, что произведение давления на объем воздуха на каждой стадии рабочего цикла пропорционально абсолютной температуре воздуха на этой стадии.
Тремя основными стадиями изменения параметров воздуха являются сжатие, горение и расширение.
Во время сжатия для повышения давления и уменьшения объема воздуха совершается работа. Существует соответствующий рост температуры. Чем больше степени повышения давления, тем выше термический КПД и ниже удельный расход топлива.
Во время горения добавление топлива к воздуху повышает температуру, происходит соответствующее увеличение объема при практически постоянном давлении.
Во время расширения, когда определенная доля энергии газового потока преобразуется в механическую энергию с помощью турбины, происходит понижение давления и температуры газа и соответствующее увеличение его объема.
Изменения температуры и давления газа, а также изменение скорости можно увидеть на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Изменение давления, температуры и скорости в двигателе с однокаскадным осевым компрессором