30

Министерство образования Российской Федерации

Российский государственный университет

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

_____________________________________________________________________

К.Х.ШОТИДИ, М.М.ШПОТАКОВСКИЙ,

А.Н. НАЗАРОВ

ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И ПОРШНЕВЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Методические указания к лабораторным работам по курсам

Термодинамика и Теплотехника

для студентов специальностей: 090600, 090700, 090800,

120100, 120500, 170200, 170500, 250400, 320700, 330500, 553600

Под редакцией проф. Б.П.Поршакова

Москва 2004

УДК 621.438 (075) + 536 (075)

Циклы газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания: Методические указания к лабораторным работам. М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 200464 с.

Рассматриваются термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок, а также конструкция основных узлов этих двигателей на примере газотурбинной установки ГТ-700-5 и поршневого двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-236. Указаны основные способы повышения энергетической эффективности тепловых двигателей.

Приводятся основные технические характеристики отечественных и зарубежных газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания, используемых в газовой и нефтяной отраслях промышленности.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов специальностей 090600, 090700, 090800, 120100, 120500, 170200, 170500, 250400, 320700, 330500, 553600, изучающих дисциплины: теплотехника, техническая термодинамика и теплотехника.

Рецензент Калинин А.Ф., кандидат технических наук, доцент

кафедры термодинамики и тепловых двигателей

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

 Российский государственный университет нефти

и газа им. И.М.Губкина, 2003

Введение

Теория круговых термодинамических процессов (циклов) тепловых машин является одним из основных разделов курсов ″Термодинамика″ и ″Теплотехни-ка″.

Тепловые машины делятся на две большие группы: тепловые двигатели и холодильные машины.

В свою очередь, тепловые двигатели подразделяютсянапоршневые двигатели внутреннего сгорания,газотурбинные двигатели, называемые такжегазотурбинными установками, ипаротурбинные двигатели, которые в настоящей работе не рассматриваются.

В методических указаниях к лабораторным работам по изучению тепловых двигателей рассмотрены основные положения теории круговых термодинамических процессов (циклов) тепловых двигателей. Рассмотрены также термодинамические циклы, рабочие процессы и элементы конструкции двух тепловых двигателей: газотурбинной установки ГТ-700-5 и поршневого двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-236.

Настоящие методические указания написаны в соответствии с новыми учебными программы по курсам ТермодинамикаиТеплотехникаи являются дальнейшим развитием работы В.И. Кочергина и К.Х. ШотидиТермодинамические циклы, рабочий процесс, элементы конструкции газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания[6].

1. Теоретическая часть

1.1. Основные положения теории круговых процессов

(циклов) тепловыхдвигателей

Круговым процессом называется замкнутый процесс, в котором рабочее тело возвращается в исходное состояние. Поэтому итоговое изменение параметров и функций состояния рабочего тела в круговом процессе равно нулю

, (1)

где (p – абсолютное давление; v– удельный объем; u – удельная внутренняя энергия; h – удельная энтальпия).

Периодически повторяющиеся круговые процессы, называемые также циклами, реализуются в тепловых машинах, к которым относятся тепловые двигатели и холодильные установки.

В теории циклов рассматриваются только элементы внешнего баланса – внешние термодинамическая L* и потенциальная W* работы, а также внешний теплообмен Q*. Поэтому после интегрирования по замкнутому контуру первого начала термодинамики по внешнему балансу теплоты и работы

Q* = dU + L* , (2)

получим

* = +* =* ,

. (3)

В тепловом двигателе(ТД) теплотаQ₁*(Q₁*> 0) подводится от внешнегогорячегоисточника (нагревателя) с абсолютной температуройT₁к рабочему телу, от которого меньшее количество теплотыQ₂*(Q₂*< 0) передается внешнемухолодномуисточнику (холодильнику) с меньшей абсолютной температуройT₂. В результате этого часть теплотыQ_ц*превращается в работуL_ц*(L_ц*> 0)–рис. 1:

L_ц*=Q_ц* =|Q₁*|–|Q₂*|. (4)

Если цикл состоит только из обратимыхпроцессов, то его называютидеальнымилитермодинамическим[1, 8, 9].

Совершенство цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия(КПД)_t, представляющим собой отношение эффективной работы, полученной в цикле, к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в этом цикле,

. (5)

Обратимые (термодинамические) циклы ТД практически неосуществимы. Однако, введение понятия таких циклов являетсянеобходимымиважнымпри исследовании различныхреальныхциклов и сравнении их между собой.

В соответствии со следствием II второго начала термостатики КПД термодинамического цикла _t не зависит от вида цикла и природы рабочего тела (РТ), а определяется только средними абсолютными температурами в процессах подвода Т_m,1 и отвода Т_m,2 теплоты [8]

_t= 1(Т_m,2 / Т_m,1) . (7)

При увеличении Т_m,1 или уменьшении Т_m,2 КПД теплового двигателя увеличивается.

Одним из важнейших следствий постулата второго начала термодинамики является утверждение о невозможности полногопревращения теплоты в работу, а значит, о невозможности создания вечного двигателя второго рода: любой ТД должен иметь два тепловых источника с различными температураминагреватель и холодильник.

Диаграмма реальногоцикла ТДотличаетсяот диаграммыобратимогоцикла,во-первых, наличием разностей между температурами РТ и внешних источников теплоты (нагревателя и холодильника) (T0) и,во-вторых, существованием необратимых потерь в процессах расширения и сжатия РТ. Поэтому площадь диаграммы реального цикла ТД, изображенного на рис. 1 пунктирной линией, меньше площади диаграммы обратимого цикла на величину заштрихованной площади, характеризующей необратимые потери энергии в цикле.

1.2. Цикл Карно

В 1824 г. С. Карно предложил цикл, получивший впоследствии его имя. Введение цикла Карно стало важнымэтапом в разработке теории циклов тепловых двигателей.

Цикл Карно представляет собой обратимый цикл тепловых машин (Q*= =Q,L*=L, т.к.L**=Q**= 0), осуществляемый между двумя источниками постоянных температур –горячим(нагревателем) с температуройT₁ихолодным(холодильником) с температуройT₂:T₁T₂. Рабочим телом в цикле Карно является идеальный газ, называемый в дальнейшем простогаз.

Цикл Карно состоит из четырех термодинамических процессов: двух изотерм (T= idem) и двух адиабат:Q=Q*= 0 [8, 9].

Цикл Карно теплового двигателя осуществляется следующим образом – см. рис. 2а. В процессе 1-2 происходит начальное изотермическое (при постоянной температуреT₁) расширение газа за счет сообщения ему теплотыQ₁при температуреT₁. В точке 2 подвод теплоты к газу заканчивается и далее в процессе 2-3 газ продолжает расширяться, но уже адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой. При этом температура газа уменьшается доT₂. Газ, расширяясь в процессах 1-2 и 2-3, совершает полезную работу. В процессе 3-4 происходит изотермическое (при постоянной температуреT₂) сжатие газа за счет отвода от него теплотыQ₂при температуреT₂. В точке 4 отвод теплоты заканчивается и далее в процессе 4-1 газ продолжает сжиматься, но уже адиабатически, возвращаясь в исходное состояние – точка 1. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности.

Цикл Карно можно изобразить также в универсальных координатах приведенного теплообмена T-S(рис. 2б) [1, 8, 9].

Формула для расчета термического КПД цикла Карно _t,Квыводится следующим образом. Количества теплоты, подводимой к газуQ₁и отводимой от негоQ₂, определяются соотношениями

|Q₁| = || =T₁|| =T₁|S₂–S₁| =T₁(S₂–S₁) , (8)

|Q₁| = || =T₂|| =T₂|S₄–S₃|=T₂(S₃–S₄) . (9)

Из соотношения (1) следует, что абсолютная величина изменения энтропии газа в процессе подвода к нему теплоты |S₁| равна абсолютной величине изменения энтропии газа в процессе отвода от него теплоты |S₂|:

|S₁| = |S₂| = |S| . (10)

С учетом соотношений (8) и (9) формула (6) для цикла Карно принимает вид

_t,К= 1 – (|Q₂*| / |Q₁*|) = 1 – (T₂|S| /T₁|S|) = 1 – (T₂/T₁) , (11)

т.е. термический КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, зависит только от абсолютных температурT₁и T₂.

Цикл Карно имеет большое значение в теории циклов ТД, т.к. его КПД является максимальным по сравнению с КПД любого обратимого цикла, реализуемого в том же диапазоне температур T₁иT₂, что и цикл Карно. Это следует из сравнения произвольного циклаa-b-c-d-aс циклом Карно 1-2-3-4-1– рис. 3. Подвод теплоты к РТ в циклеa-b-c-d-aпроисходит при средней абсолютной температуреT_m,1, которая меньше температурыT₁(T_m,1T₁), а отвод теплоты – при средней абсолютной температуреT_m,2, которая больше температурыT₂:T_m,2T₂. Поэтому КПД циклаa-b-c-d-a_t,abcda, определяемый по формуле

_t,abcda= 1 – (T_m,2/T_m,1) , (12)

меньше, чем КПД цикла Карно _t,К:_t,К_t,abcda. Графической интерпретацией этого неравенства является то, что площадь фигуры 1-2-3-4-1 больше площади фигурыa-b-c-d-a.

Несмотря на то, что циклу Карно следовало бы отдать предпочтение, реализация его в ТД практически невозможна, т.к. диапазоны изменения давления и объема в цикле Карно велики и поэтому диаграмма цикла Карно в координатах p-vсильно растянута – рис. 4.

Например, при параметрах РТ на входе в поршневые двигатели внутреннего сгорания p_а= 0,1 МПа,T_а= 288K(точкаана рис. 4) и при температуре в кон-

це сгорания топлива T_c= 2073Kдавление РТ в точкеcцикла Карно достигает 280300 МПа, в то время как в реальных двигателях это давление не превышает 10 МПа, исходя из условия обеспечения прочности элементов двигателя. При этом изменение объема РТ в цикле Карно (v_a/v_c) составляет примерно 400.