Лекция №9 «Термодинамика рабочего процесса авиационных двигателей»
Рабочий процесс и цикл авиационного двигателя
Рабочий цикл авиационного двигателя должен состоять из следующих основных процессов:
- сжатия рабочего тела;
- подвод тепла;
- расширения рабочего тела с совершением механической работы.
Рабочий процесс двигателя характеризуется параметрами, т.е. величинами, показывающими, в какой степени изменяются термодинамические параметры рабочего тела за время протекания цикла. Основными параметрами рабочего процесса являются:
- степень сжатия
или степень повышения давления
;
- степень подогрева
рабочего тела
,
где индекс «н» относится к моменту
начала цикла, индекс «2» - окончания
сжатия, индекс «3» - окончания подвода
тепла.
Эффективность экономичность рабочего процесса
Все протекающие в двигателе сложные процессы, представляющие в совокупности рабочий процесс, сопровождаются разнообразными потерями энергии, в результате чего конечный энергетический эффект оказывается значительно меньшим того количества энергии, которое вносится в двигатель с топливом.
Характеристика рабочего процесса на любом уровне идеализации должна включать себе как оценку эффективности, так и оценку экономичности двигателя.
Оценка эффективности двигателя осуществляется путем определения работы, производимой на данном уровне идеализации 1 кг рабочего тела, а оценка экономичности производится с помощью КПД. Различаются два вида КПД: абсолютные, представляющие собой отношение полученной для данного уровня идеализации работы к подведенному теплу, т.е.
,
и относительные, представляющие собой отношение работ, полученных при двух различных, по соседних по номеру уровней идеализации рабочего процесса, т.е.
,
где индекс k обозначает порядковый номер идеализации при условии, что с увеличением номера процесс приближается к реальному рабочему процессу.
Конечной целью термодинамического анализа рабочего процесса авиационного двигателя является получение зависимостей величин, характеризующих эффективность и экономичность двигателя, от величин, характеризующих протекание рабочего процесса.
;
.
Идеальный цикл
Под идеальным циклом понимается замкнутый обратимый цикл, рабочим телом в котором является идеальный газ с постоянной в течение всего цикла теплоемкостью. При этом основные процессы – сжатие, подвод тепла, расширение и отвод тепла протекают по самостоятельным кривым; сжатие и расширение – по адиабатам, а подвод и отвод тепла – по изобарам или изохорам. Сгорание топлива происходит вне цикла, и рабочее тело получает лишь то количество тепла, которое идет непосредственно на повышение параметров рабочего тела.
Тепло подведенное к рабочему телу равно:
,
где
-
коэффициент выделения тепла, учитывающий
потери тепловой энергии на недожог
топлива и на внешние потери через стенки
двигателя.
Коэффициент полезного действия
для современных
авиационных двигателей значение
термического КПД лежит в пределах
Действительный цикл
Под действительным циклом понимается кривая изменения параметров рабочего тела в течение рабочего процесса двигателя, причем подвод тепла осуществляется путем сжигания топлива в камере сгорания, а отвод – выбросом отработавших продуктов сгорания в атмосферу.
Общим для идеального
и действительного циклов являются
степень повышения давления
или степень сжатия
,
максимальная температура
и подведенное к рабочему телу тепло
.
КПД действительного цикла носит название внутреннего, или индикаторного, Кпд и показывает, какая доля от всего подведенного с топливом тепла преобразуется во внутреннюю работу двигателя.
.
Внутренняя работа
отличается от термической работы
тем, что:
1) действительные процессы протекают не по идеальным адиабатам, изобарам и изохорам, а необратимым политропы с переменным показателем политропы; 2) химический состав и теплоемкость рабочего тела меняются; 3) внутри газообразного рабочего тела существует трение.
Связь между
действительным и идеальным циклом
осуществляется с помощью относительного
внутреннего КПД
:
.
Тепловой двигатель
Под тепловым двигателем понимается устройство, в котором происходит преобразование энергии, заключенной в топливе, в работу цикла, которая передается внешнему потребителю.
Работа цикла в
авиационном двигателе может использоваться
в двух формах: в виде приращения
кинетической энергии газового потока
и в виде эффективной работы, переданной
через вал внешнему потребителю
,
т.е.
,
где V
– скорость полета;
- скорость газового потока при полном
его расширении до начального давления
на выходе из двигателя.
КПД цикла представляет
собой отношение эффективной работы
цикла
к затраченному в цикле теплу
:
,
т.е.
показывает,
какая часть от внесенной в двигатель с
топливом тепловой энергии идет на
увеличение кинетической энергии и на
совершение внешней эффективной работы,
КПД цикла учитывает прежде всего потери
энтальпии с уходящими из двигателя
газами, во – вторых, потери на неполноту
сгорания и потери тепла через стенки
корпуса двигателя и, в – третьих, работу,
которую приходится затратить на
обслуживание самого двигателя (преодоление
трения в подшипниках, вращение агрегатов
двигателя).
КПД цикла составляет,
примерно,
.
Это означает, что, примерно,
внесенного в двигатель тепла теряется
в двигателе непроизводительно.
Энергия, необходимая на преодоление гидравлических сопротивлений в реальном тепловом двигателе, берется из полученной в действительном цикле внутренней работы. Таким образом, работы на преодоление гидравлических сопротивлений выступает в энергетическом балансе как бы дважды: во- первых, в виде тепла трения участвует в деформации идеального цикла и превращении его в действительный и, во – вторых, уменьшает количество внутренней работы, которая может быть передана внешнему потребителю, т.е. уменьшает работу цикла.
Цикл работы равно
Величину
определить с помощью механического
КПД:
,
тогда КПД цикла может быть выражен следующим образом:
.
Реальный авиационный двигатель
Рабочий процесс авиационного двигателя – это рассмотрение АД как устройства, предназначенного для создания силы тяги Р, необходимой для осуществления полета летательного аппарата.
Сила тяги – это равнодействующая всех сил, действующих на внешние и внутренние поверхности двигателя, передаваемая через узлы крепления планеру самолета.
Внешнее проявление действия силы тяги состоит в ускорении газового потока в относительном относительно двигателя движении. Этот поток либо обтекает двигатель снаружи, либо протекает внутри двигателя.
Ускорение внешнего потока осуществляется с помощью специального движителя – воздушного винта. Так создается сила тяги авиационными поршневыми двигателями (ПД) и турбовинтовыми двигателями (ТВД).
Если ускоряется газовой поток, протекающий внутри двигателя, то двигатель одновременно является и движителем. К этому типу относятся турбореактивные (ТРД) и ракетные (РД) двигатели.
Также существуют двигатели, у которых поток ускоряется как вне, так и внутри, например, двухконтурные (ДТРД).
Сила тяга авиационного двигателя на расчетном режиме его работы определяется по формуле
,
где
- скорость истечения газа в выходном
сечении движителя.
Для характеристики эффективности рабочего процесса служит удельная тяга, т.е. тяга, отнесенная к 1 кг рабочего тела, протекающего через движитель:
,
а также выполняемая ею полезная работа, которая называется тяговой работой:
.
Экономичность
авиационного двигателя характеризуется
полным КПД, которой представляет собой
отношение тяговой работы
к введенному в двигатель с топливом
теплу
:
КПД у современных
двигателей в полете
.
КПД, который характеризует АД как движитель, носит название тяговой КПД. Этот КПД представляет собой отношение тяговой работы к работе цикла :
,
т.е.
показывает, какая часть от полученной
работы цикла идет на создание полезной
работы.
Тяговый КПД во
многом зависит от способа создания
тяги, т.е. от двигателя. При скорости
полета
тяговой КПД
,
а тяга имеет максимальное значение. С
ростом скорости полета растет и тяговые
КПД, при этом падает тяга, становясь
равной нулю в том случае, когда скорость
истечения оказывается равной скорости
полета.
Полный КПД двигателя равно
,
или
