Диск СГЭО (Лекции_СГЭО_ВЗО_2012) / Глава_2_Идеальные циклы ДВС
.pdf§ 2.8. Идеальные циклы ДВС с газотурбинным импульсным наддувом и наддувом при постоянном давлении перед турбиной (с. 35)
2.8.1. ДВС с импульсным газотурбинным наддувом без воздухоохладителя
В этих ДВС отработавшие газы (ОГ) направляются из отдельных цилиндров непосредственно в газовую турбину (ГТ), где используется не только их внутренняя (потенциальная) энергия, но и кинетическая энергия.
|
p |
q1,, |
|
|
К |
Т |
|
Т |
|
К |
|
, y |
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ресивер |
|
|
|||
|
|
ДВС |
b |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТК |
f |
Общая степень сжатия |
|||||
|
|
a |
o |
комбинированного |
|
|||||
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Vc |
Vs |
q2 |
V |
(турбопоршневого) |
|||||
|
|
Va |
|
|
двигателя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
V |
|
V |
|
||
|
|
|
|
|
o |
a |
|
o |
|
|
|
|
Vo |
|
|
eКД= Vc |
= Vc |
ÄVa |
|
= eÄeК |
|
|
Рис. 2.15. Схема ДВС с импульсным наддувом с охлаждением наддувочного |
|||||||||
|
воздуха и идеальный цикл двигателя |
|
|
|
|
|
|
|||
|
На рисунке: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0a |
– адиабатное сжатие в компрессоре наддувочного агрегата; |
|||||||||
ac |
– адиабатное сжатие в цилиндре ДВС; |
|
|
|
|
|
|
|||
cyz – подвод теплоты в ДВС; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
zb |
– адиабатное расширение в цилиндре ДВС; |
|
|
|
|
|
||||
bf |
– продолжение адиабатного расширения в турбине наддувочного |
|||||||||
|
агрегата (с использованием кинетической энергии истечения газов из |
|||||||||
|
цилиндров); |
|
|
p = const , соответствующий выпуску |
||||||
f 0 – отвод теплоты из цикла при |
||||||||||
εк |
газов из турбины в атмосферу; |
|
|
|
|
|
|
|
||
– степень сжатия в компрессоре наддувочного агрегата. |
|
11 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.8.2. ДВС с импульсным газотурбинным наддувом |
|||||||||
с воздухоохладителем (с. 37) |
|
|
|||||||
p |
y |
q1,, |
|
|
|
К |
Т |
Т |
К |
q , |
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
Д |
|
|
|
ДВС |
b |
|
ВО |
ресивер |
ВО |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
ТК |
|
o |
f |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|||
Vc |
|
Vs |
q |
2 |
q |
V |
Рис. 2.16. Схема ДВС с импульсным |
||
|
|
Va |
(ВО) |
|
2 |
наддувом с охлаждением наддувочного |
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Vo |
|
|
|
|
воздуха и идеальный цикл двигателя |
По сравнению с предыдущим случаем на рисунке дополнительно указан процесс ta – изобарное охлаждение наддувочного воздуха в воздухоохладителе (ВО).
Термический КПД представленного цикла комбинированного двигателя с воздухоохладителем (ДВС+ГТН с импульсной турбиной+ВО)
ηКД+ ВО = ηКД − |
QВО |
|
|
− |
1 |
|
|
|
||
|
1 |
|
|
2.10 |
||||||
Q |
(εк ) |
k −1 |
||||||||
t |
t |
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
Из формулы следует, что введение охлаждения наддувочного воздуха снижает термический КПД цикла.
Однако при этом увеличивается плотность воздуха, соответственно увеличивается масса воздуха в цилиндре, следовательно, в цилиндр может быть подана увеличенная порция топлива и получена увеличенная мощность двигателя.
12
2.8.3. ДВС с газотурбинным наддувом при постоянном давлении перед турбиной ГТН (с. 38)
Рис. 2.17.
Схема ДВС с газотурбинным наддувом при постоянном давлении перед турбиной ГТН, без охлаждения наддувочного воздуха и идеальный цикл двигателя
p |
|
q1,, |
|
|
|
Вып. коллектор |
Т |
|
y |
z |
|
|
|
|
|
q1, |
|
|
|
|
|
||
|
|
q ДВС = |
q |
ТК |
Д |
|
|
|
|
|
ресивер |
К |
|||
|
c |
|
2 |
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ДВС |
b |
|
|
|
|
|
|
|
|
ТК |
Отличия от рис. 2.15: |
|
|
|
|
|
r |
|
|
||
|
|
|
|
, |
|
||
|
|
a |
o |
|
ba - отвод теплоты из ДВС |
||
|
|
|
f |
при V = const; |
|
||
Vc |
Vs |
|
|
|
|
||
Q |
2 |
V |
ar - подвод теплоты в ТК |
||||
|
|
Va |
|
при p = const, отведенной из ДВС |
|||
|
|
|
|
|
(ba, ar - условные процессы). |
||
|
|
Vo |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Частный случай: p = p . |
||
|
|
|
|
|
|
a |
r |
В этих двигателях отработавшие газы (ОГ) направляются в выпускной коллектор увеличенного объема, где они расширяются и далее подаются на лопатки турбины практически при постоянном давлении.
При истечении из цилиндров газ расширяется до давления в коллекторе, а полезная работа при этом не производится. Происходит необратимый процесс дросселирования, который сопровождается потерей работоспособности газа. Это отрицательное свойство рассматриваемого цикла.
На рис. 2.17 изображен частный случай цикла, в котором pa = pr . В реальных двигателях, как правило, pa > pr для обеспечения продувки камеры сгорания в период перекрытия клапанов.
13
2.8.4. Сравнение циклов комбинированных двигателей |
|
|||||||||||||||||||||||||||
с различными системами наддува (с. 39) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
q ,, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q1, |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= idem, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
T |
|
|
|
y |
p=const |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
t |
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
КД |
=idem. |
|
|
|
|
|
||||||
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
КД (имп.) |
|
|
|
|
||||
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
КД (пост.) |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
Из рис. q |
< q |
, |
||||||||||
c |
|
|
ДВС |
|
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
b |
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
t |
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
|
r |
|
|
ДВС |
|
ТК |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
o |
|
|
|
|
q =q |
|
т.к. F |
|
|
< F |
|
, |
|
|
|
||||||||||
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
V |
|
|
|
|
|
ТК |
|
f , |
|
2 |
|
|
1 |
|
|
|
1 o f 2 |
1 o f |
,3 |
|
|
|
|||||
a |
|
|
|
|
nst |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
p= |
|
|
|
f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КД (имп.) |
|
КД (пост.) |
|
|
|||||||
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Q 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т.о. ht |
|
|
|
> ht |
|
. |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
3 |
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рис. 2.18. Сравнение идеальных циклов комбинированных двигателей |
|
|||||||||||||||||||||||||||
с импульсной турбиной и турбиной постоянного давления |
|
|
Из рисунка следует, что ηtКД(имп.) > ηtКД(пост.) . Однако постоянство давления перед турбиной, следовательно, постоянство скоростей газа позволяет спрофилировать проточную часть турбины более рациональной (чем при импульсном наддуве) и повысить таким образом внутренний КПД турбины. В результате соотношение эффективных КПД обычно получается таковым (обратным):
ηeКД(имп.) < ηeКД(пост.)
На судах применяются оба рассмотренных варианта наддува. Выбор одного из вариантов в значительной мере зависит от назначения и условий работы судна и двигателя. Так, для главного двигателя (ГД) судна, работающего в стабильных условиях, преимущественно в режиме полного хода (например, в условиях морского транспортного судна), целесообразно применять систему наддува при постоянном давлении перед турбиной. На судах, работающих в широком спектре режимов, включающем малые нагрузки (на буксирах, траулерах и др.), целесообразно применение ГД с импульсным наддувом. В последнем случае наличие « импульсов» позволяет
обеспечить работу ТК и необходимое качество воздухоснабжения двигателя при работе на малых нагрузках и на так называемых переходных режимах.
14