5.3. Идеальный цикл газотурбинного двигателя
Газотурбинные двигатели относятся к ДВС. Они обладают многими преимуществами по сравнению с поршневыми двигателями. Это, в первую очередь, большие мощности при сравнительно малых габаритах и достаточно высокая экономичность.
В качестве компонентов топлива в газотурбинных двигателях используются жидкое или газообразное горючее и воздух как окислитель. Принципиальная схема авиационного газотурбинного двигателя приведена на рис.5.7, где 1 – компрессор, 2 – камера сгорания, 3 – турбина, 4 – реактивное сопло
Рис.5.7
Сжатый в компрессоре воздух с высоким давлением и значительной температурой подается в камеру сгорания, туда же через форсунки поступает горючее. Перемешанная топливная смесь воспламеняется и сгорает. Высокотемпературные продукты сгорания устремляются к расширительной машине – турбине. В сопловом аппарате рабочее тепло разгоняется до высокой скорости, а на рабочих лопатках турбины кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу, приводя во вращение ротор турбины. От ротора турбины крутящий момент передается компрессору и другим потребителям мощности.
В некоторых типах авиационных газотурбинных двигателей часть энергии рабочего тела используется для создания реактивной силы (тяги двигателя).
В газотурбинных стационарных и авиационных двигателях сгорание топлива осуществляется при постоянном давлении.
Идеальный цикл изобарного газотурбинного двигателя, рис. 5.8, включает следующие процессы:
1
-2
– адиабатный процесс сжатия рабочего
тела в компрессоре;
2-3 – изобарный подвод тепла;
3-4 – адиабатное расширение рабочего тела в турбине;
4-1 – изобарный процесс отвода тепла в окружающую среду.
Заданными
в цикле являются параметры на входе в
компрессор p1,
v1,
T1,
степень повышения давления
=р2/р1
и степень предваритель-
Рис.
5.8
ного расширения
=v3/v2
= T3/T2.
Параметры состояния в характерных точках определяются аналогично
рассмотренным выше циклам.
Точка
2: p2=
p
;
v2
=
v1
; T2=
T1
.
Точка
3: p3
= p2
=
p1
; v3
=
v1;
T3=
T2
=
T1
.
Точка
4: p4=
p1
;
v4
=
v1;
T4
=
T1
.
Значения теплоты q1 и q2 в изобарных процессах будут равны:
q1
= cp
(T3
–T2)
= cp
(
)
T1
и
q2
= cp
(T4-T1
)=
cp(
-1)T1.
После подстановки q1 и q2 в выражение (1.21) получим значение термического КПД цикла газотурбинного двигателя в виде:
.
(5.6)
Из
выражения (5.6) следует, что термический
КПД газотурбинного двигателя зависит
только от степени повышения давления
и показателя адиабаты продуктов
сгорания. С увеличением
и к
значение
растет.
15.4. Цикл паросиловой установки
В отличие от двигателей внутреннего сгорания в паросиловых установках продукты сгорания топлива непосредственно не участвуют в рабочем цикле, они являются лишь источником теплоты, а рабочим телом служит пар какой–либо жидкости. Принципиальная схема паросиловой установки, работающей на водяном паре, представлена на рис. 5.9,
где 1– паровой котел;
2 – пароперегреватель;
3 – паровая турбина, выполняющая функции расширительной машины;
4
– электрогенератор;
5 – конденсатор;
6 – питательный насос.
В котле вода нагревается и превращается в насыщенный пар, а в пароперегревателе – в перегретый пар. Перегретый пар поступает в турбину, где, расширяясь, совершает полезную работу. После турбины отработанный пар конденсируется, а конденсат питательным насосом снова подается
в котел. Рис. 5.9
На основании длительного исследования свойств водяного пара и работы паровых машин шотландский ученый У.Д. Ренкин создал теоретический цикл паросиловой установки, который носит его имя. На рис. 5.10 и 5.11
Представлен циклРенкина в pv и Ts- координатах.
Рис. 5.10 Рис. 5.11
Основными процессами здесь являются:
1–2 – адиабата расширения перегретого пара в турбине;
2–3 – изотерма конденсации пара;
3–4 – подача воды насосом в котел;
4–5 – подогрев воды в котле;
5–6 – образование влажного пара в котле;
6–1 – перегрев насыщенного пара в пароперегревателе.
Процесс 4 –5 – 6 –1 – изобарный.
Подвод и отвод тепла в цикле происходит при постоянном давлении. Тогда количество теплоты в процессе 4–5–6–1, используемой для нагрева воды, парообразования и перегрева, выразим через энтальпии:
q1 = i1 – i4,
где i1 и i4 – энтальпия перегретого пара и энтальпия конденсата, соответственно.
Количество теплоты, отводимой в процессе конденсации пара, будет равно:
q2 = i2 – i3 .
Воспользовавшись значениями q1 и q2 , находим термический КПД цикла паросиловой установки:
.
(5.7)
С увеличением температуры перегретого пара термический КПД цикла возрастет, т.к. полезно используемая теплота увеличится. Повышение начальных параметров пара от p1 = 10 МПа и T1= 510 оС до сверхкритических
( p1 = 30 МПа и T1 = 650 оС) приводит к увеличению КПД установки на 15...18 %. Увеличение КПД происходит и при снижении давления отработавшего пара.