2. Газовые циклы

Рассмотрим цикл ДВС. Поршневыми двигателями внутреннего сгорания называют тепловые двигатели, основным элементом конструкции которых является цилиндр с поршнем. Сгорание топлива жидкого или газообразного происходит внутри цилиндра в среде сжатого воздуха. Образовавшиеся продукты сгора­ния расширяются и перемещают поршень, от которого вы­работанная механическая энергия передается на вал дви­гателя через кривошипно-шатунный механизм. Горение топ­лива, соответствующее процессу подвода тепла в цикле, в таких двигателях может осуществляться почти мгновенно в момент нахождения поршня в крайнем левом положении. двигатель с предварительным сжатием смеси воздуха с топливом и последующим его мгновенным сгоранием был впервые построен немецким изобретателем Отто в 1876 г. Двигатели Отто, как и все двигатели внутреннего сгорания, строятся двух- и четырехтактными. В первом случае все процессы двигателя — сжатие смеси, горение топлива, рас­ширение продуктов сгорания и выхлоп отработанных га­зов— производятся за два рабочих хода поршня (один оборот вала). Во втором случае все процессы совершаются за четыре хода поршня (два оборота вала). Термодинамические циклы, по которым работают двух- и четырехтактные двигатели, являются совершенно одинаковыми, поскольку на них не сказываются взаимно компенсирующиеся процессы всасывания и выталкивания остаточных газов. Недостатком двигателей Отто является невозможность значительного повышения степени сжатия рабочей смеси (в процессе 1 2) из-за опасности ее самовоспламенения. По этой причине, эффективный КПД такого двигателя оказывается относительно низким (25—30%). Другой принцип сгорания топлива осуществляется в двигателях, конструкция которых была разработана Р.Дизелем в 1892—1898гг. В этих двигателях в цилиндр засасывается и затем сжимается только чистый воздух, что позволяет значительно поднять степень сжатия без всякой опасности самовоспламенения. Более того, здесь самовоспламенение используется для зажигания рабочей смеси при впрыске в сжатый горячий воздух распыленного топлива. Регулируя время впрыска, можно достигнуть желательной характеристики процесса горения. В первых двигателях Дизеля в цилиндр впрыскивалась смесь топлива с небольшим количеством воздуха, сжатым в специальном вспомогательном компрессоре. При этом подача топлива осуществлялась таким образом, чтобы давление в цилиндре в период горения сохранялось постоянным. Соответствующий этому идеальный цикл, называемый циклом Дизеля. Он отличается от цикла Отто прежде всего изобарным подводом тепла q₁. Вторым, весьма важным отличием является более высокое давление в конце сжатия (до 40—45 бар вместо 10—15 бар в двигателях Отто). Остальные процессы цикла сохраняются теми же. Если в цилиндр двигателя Дизеля впрыскивать только механически распыленное топливо и этот впрыск начать еще до окончания процесса сжатия, то получающаяся при этом на диаграмме верхняя часть цикла оказывается чем-то средним между циклами Отто и Дизеля. Патент на изобретение такого «бескомпрессорного дизеля» был выдан в 1904 г. русскому инженеру Г. В. Тринклеру. Подвод тепла топлива осуществляется частично по изохоре и частично по изобаре. Двигатели Тринклера, так же как и двигатели Дизеля, успешно работают на тяжелых сортах жидкого топлива. Эти двигатели являются самыми экономичными, поскольку они дают возможность достигать таких же высоких степеней сжатия, как и в двигателях Дизеля, и, кроме того, получать добавочную работу за счет изохорного подвода тепла. Они широко применяются в качестве судовых двигателей, двигателей небольших энергетических установок, тракторных двигателей и т. п. Эффективный КПД «бескомпрессорных дизелей» оказывается самым высоким из всех двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Рисунок 2 - Термодинамический цикл «бескомпрессорного дизеля», называемый циклом со смешанным подводом тепла

Поэтому «компрессорные дизели» в настоящее время не выпускаются. Все же в транспортных установках (главным образом в легковых автомобилях) широко применяются бензиновые двигатели типа Отто, обладающие простотой конструкции и малым весом.

Рассмотрим цикл ГТУ. Газотурбинная установка ГТУ представляет собой тепловой двигатель, состоящий в простейшем случае из воздушного компрессора К, камеры сгорания КС и газовой турбины ГТ, приводящей обычно в движение электрический генератор. Принцип работы такой газотурбинной установки следующий: холодный воздух с параметрами р₀, t₀ сжимается в компрессоре и подается в камеру сгорания. В нее же подается соответствующее количество топлива. Образовавшиеся продукты сгорания заданной температуры направляются из камеры сгорания в газовую турбину. Адиабатически расширяясь в турбине, продукты сгорания понижают свою температуру и выбрасываются наружу. Выработанная в газовой турбине механическая энергия с помощью генератора превращается в электрическую. В зависимости от характера процесса горения топлива в камере сгорания все газотурбинные установки разделяют на два типа: с горением при постоянном давлении (постоянного горения) и с горением при постоянном объеме. В настоящее время созданы новые конструкции газовых турбин с охлаждаемыми рабочими лопатками, в которых температура газа может превышать допустимую температуру металла на несколько сот градусов. Такие ГТУ, имеющие начальную температуру газов до 1200°С, называют высокотемпературными.

Рисунок 3 - Простейшая схема газотурбинной установки

Положительными особенностями газотурбинных установок по сравнению с паротурбинными являются: незначительная потребность в охлаждающей воде, возможность применения более высоких температур рабочего тела по сравнению с паротурбинными установками, меньшие вес установки и расход металла, приходящиеся на единицу мощности, возможность очень быстрого пуска и форсирования нагрузки. В газовых турбинах отсутствует основной недостаток поршневых двигателей – невозможность расширения рабочего тела в цилиндре двигателя до атмосферного давления. Газотурбинные установки в настоящее время широко применяются в транспортной авиации, а также на перекачивающих станциях магистральных газопроводов. Газовые турбины оказываются также особенно выгодными в таких отраслях промышленности, где в ходе производства получаются горячие газы высокого давления. Утилизация энергии таких газов в газовой турбине является весьма экономичной.