Теория расчет и проектирование авиационных двигателей и энергетичес.-1

При больших сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях полета (↑↑ q) происходит значительный аэродинамический

нагрев элементов конструкции ЛА и снижается прочность конструкционных материалов, а динамические нагрузки возрастают. Возникает необходимость ограничения скорости и высоты полета.

81

3.ЦИКЛЫ ВРД

3.1.Сущность второго закона термодинамики

Сущность второго закона термодинамики применительно к тепловым машинам (ТМ) состоит в следующем: не все тепло, подведенное к газу, превращается в полезную работу, часть тепла необходимо обязательно отвести в «холодильник».

Второй закон термодинамики дополняет первый закон термодинамики, так как первый закон, устанавливая эквивалентность между теплотой и работой, не указывает условий преобразования теплоты в работу.

Превращение работы в теплоту не связано с какимилибо трудностями, так как вся работа полностью переходит в теплоту. Превращение же теплоты в работу возможно только при отводе части теплоты в среду с более низкой температурой (tx < tг). Эта теплота полезно не используется и является неизбежной потерей в соответствии со вторым законом термодинамики.

В реальных ТМ отвод тепла осуществляется в атмосферу, и чем выше температура газа на выходе из ТМ по сравнению с температурой окружающей среды, тем больше потери тепла.

Иная формулировка второго закона термодинамики: невозможно построить вечный двигатель второго рода. Это означает, что для преобразования тепла в работу необходимы специально созданные условия – наличие хотя бы двух тел с разной температурой, между которыми посредник (газ) мог бы осуществлять цикл и производить работу.

Второй закон термодинамики сформулирован на основе обобщения таких явлений природы, как:

– стремление всех естественных процессов протекать в определенном направлении (газ всегда перетекает из облас-

82

ти с более высоким давлением в область с пониженным давлением, тепло передается от более нагретого тела к менее нагретому телу);

– все самопроизвольные процессы продолжаются до тех пор, пока не наступает энергетическое равновесие между телами, участвующими в процессе.

Для осуществления искусственного, циклически повторяющегося процесса необходимо затратить внешнюю энергию. Для работы ГТД необходимо подводить к газу теплоту в КС, иначе работа расширения газа, полученная в ГТ, будет полностью расходоваться на сжатие воздуха в компрессоре,

аполезная (внешняя) работа будет равняться нулю.

3.2.Идеальный цикл ТРД

3.2.1. Условия и диаграммы идеального цикла ТРД

Последовательность процессов, в результате которых рабочее тело приходит в исходное состояние, называется циклом (рис. 3.1, 3.2).

Рис. 3.1. Диаграмма цикла ТРД в координатах р–ϑ: н–вх – адиабатное сжатие в ВЗ; вх–к – адиабатное сжатие в ОК; к–г – изобарный подвод тепла в КС; г–т – адиабатное расширение в ГТ; т–с – адиабатное расширение в РС; с–н – отвод тепла в «холодильник» (выброс газа в атмосферу)

83

3.2.3. Термический КПД идеального цикла ТРД

Эффективность превращения подведенной к рабочему телу теплоты в полезную работу (работу идеального цикла) оценивается термическим КПД ηt, показывающим, какая часть подведенной теплоты Q1 превратилась в работу цикла Lц:

85

где πдв = рк рн – полная степень повышения давления

в двигателе.

Таким образом, при помощи ηt оценивают совершенство двигателя как тепловой машины.

Так как в соответствии со вторым законом термодинамики Q2 > 0, то ηt < 1. Величина ηt тем больше, чем меньше Q2 по отношению к Q1. В свою очередь Q2 тем меньше, чем ниже температура газа на выходе из двигателя.

С увеличением степени понижения давления в процессе расширения газа в двигателе при неизменной температуре Тг = const температура газа на выходе из двигателя снижает-

ся (↓Тс ), следовательно, уменьшается Q2. Увеличить степень понижения давления можно, увеличив степень повышения давления в двигателе (↑πдв ). Однако при повышении давления увеличивается температура сжатого воздуха (↑Тк ), следовательно, уменьшается количество подведенного к нему тепла: ↓Q1 = сp (Тг −↑Тк ).

ладания снижения Q1 над снижением Q2, начинает уменьшаться Lц (см. рис. 3.3), темп роста ηt замедляется, и он стремится к своему максимальному значению ηt max (см.

рис. 3.4).

При πдв =1 ηt = 0, так как вся подведенная к рабочему телу теплота отводится в «холодильник».

86

Для того чтобы разрешить эту проблему, применяют более сложные циклы со ступенчатым подводом тепла (рис. 3.5

и 3.6).

Цикл со ступенчатым подводом тепла отличается тем, что тепло подводится к рабочему телу дважды: в основной КС (КС) – перед ГТ; в форсажной КС (ФК) – за ГТ.

После частичного расширения газа в ГТ до промежуточного давления pт.ф к нему снова подводят тепло QФК в ФК,

после чего газ расширяется в РС до давления pc = pн (см.

рис. 3.5).

Увеличенная полезная работа цикла (см. рис. 3.5, 3.6) используется для дополнительного увеличения кинетической энергии потока в РС.

Отсутствие подвижных элементов за ФК позволяет увеличить температуру газа в ФК до значений, близких к температуре продуктов полного сгорания углеводородного топли-

ва, – 2200…2400 K (при α = 1,1…1,2).

Авиационные двигатели со ступенчатым циклом получили название двигателей с форсажной камерой (ТРДФ, ТРДДФ).

88

Сравним циклы ТРД (н–к–г–с–н) и ТРДФ (н–к–г–т–тф–

выражение V Тт.ф и получим

Тт

89

тогда относительный прирост удельной тяги при включении ФК

Величина Rуд.ф при форсировании зависит от степени подогрева газа в ФК (Тт.ф /Тт ) и скорости полета V.

Термический КПД в ТРДФ всегда ниже, чем в ТРД (ηtф < ηt). Это объясняется тем, что подвод тепла в ФК осуще-

ствляется до более высокой температуры (Тт.ф >Тг ) при более низком давлении за турбиной, таком же как и в ТРД ( pт.ф = рт ). Следовательно, после расширения газа в РС до давления рн, его температура Тс.ф будет значительно выше,

90