Весна 16 курс 3 ОрТОР / Теория АД / Термодинамика и теплопередача Никифоров А.И.-1

где p1 — начальное давление рабочего тела до подвода тепла; p3 — конечное давление рабочего тела после подвода тепла;

где υ2 — удельный объем в конце процесса сжатия рабочего тела;

υ3 — удельный объем в конце процесса подвода тепла.

Эти безразмерные параметры определяют пределы изменения параметров рабочего тела в цикле при сжатии или при подводе тепла.

Общее значение термодинамического метода исследования циклов тепловых машин состоит в том, что оно позволяет установить наибольшее теоретически возможное значение термического КПД цикла, то есть оценить предельную степень эффективности преобразования теплоты в работу в исследуемом цикле.

5.2. Схема устройства и принцип работы авиационного газотурбинного двигателя (ГТД)

ГТД — тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи и (или) в механическую работу на валу двигателя, основными элементами которой являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина (ГОСТ 23851-79, с. 2). Таким образом, характерной особенностью любого ГТД является наличие газогенератора, состоящего из компрессора, камеры сгорания и газовой турбины.

Рассмотрим схему и принцип работы ГТД.

На рис. 5.1 представлена схема турбореактивного двигателя (ТРД). Турбореактивный двигатель — это ГТД, в котором энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла (ГОСТ 23851-79, с. 3). Его основными элементами являются входное устройство (Н — В), компрессор (В — К), камера сгорания (К — Г), газовая турбина (Г — Т) и выходное устройство (Т — С).

152

Рис. 5.1. Схема турбореактивного двигателя (ТРД): 1 — входное устройство; 2 —

компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина; 5 — выходное устройство

Принцип работы ТРД состоит в следующем. Воздух в двигатель поступает через входное устройство, где скорость движения потока воздуха обычно уменьшается, а давление и температура возрастают. В компрессоре к воздуху подводится внешняя механическая энергия, вследствие чего его давление и температура увеличиваются. Скорость потока воздуха в компрессоре несколько уменьшается.

Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, где в ней сжигается топливо. В результате температура воздуха (теперь уже газа) повышается до

1200 — 1600 К. Скорость движения газа при этом растет, а давление несколько уменьшается.

Далее газ проходит через турбину, где часть энергии сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу, которая используется для вращения компрессора и привода вспомогательных агрегатов. Вследствие этого давление и температура газа в турбине уменьшаются. Другими словами, в турбине газ отдает ту механическую энергию, которая была подведена к воздуху в компрессоре. Таким образом, без учета потерь энергия потока газа за турбиной отличается от энергии воздуха, поступающего в двигатель, на тепловую энергию, сообщенную ему в камере сгорания.

153

В выходном устройстве оставшаяся энергия газа используется для его разгона до скорости, значительно превышающей скорость полета. Давление и температура газа при этом снижаются. В результате рассмотренных процессов воздух в двигателе получает ускорение. Это ускорение он приобретает в ходе воздействия на него элементов проточной части двигателя. В свою очередь воздух (газ) действует на эти элементы в виде сил давления и трения. Равнодействующая этих сил — тяга двигателя — передается на самолет.

5.3. Идеальный цикл ГТД (цикл Брайтона — Стечкина)

Цикл Брайтона — Стечкина — это цикл, осуществляемый с подводом тепла при постоянном давлении (p = const) и полном расширении. Этот цикл осуществляется в проточной части всех существующих типов авиационных ГТД и газотурбинных установок.

Идеальный цикл ГТД, изображенный на рис. 5.2 в «p–υ» и «T–s»

координатах, состоит из четырех термодинамических процессов: двух обратимых адиабатных и двух изобарных процессов.

Рис. 5.2. Изображение идеального цикла ГТД с подводом тепла при p = const в диаграммах

состояния: а — в рабочей; б — в тепловой

154

Линии на диаграммах изображают следующие термодинамические процессы.

1. Обратимый адиабатный процесс повышения давления воздуха, который осуществляется во входном устройстве (линия Н — В) и в компрессоре

(линия В — К).

Из начальной точки Н при параметрах окружающей среды pH и TH

происходит процесс обратимого адиабатного сжатия воздуха вплоть до выхода из компрессора в точке К. На начальном участке этого общего процесса между сечениями Н и В (рис. 5.2, а) сжатие воздуха в полете происходит за счет скоростного напора до входа в компрессор в точке В. С уменьшением скорости полета точка В перемещается к точке Н и при работе ГТД на земле на месте сливается с этой точкой.

2. Изобарный процесс подвода теплоты q1 к воздуху, протекающий в камере сгорания (линия К — Г). От точки К до точки Г осуществляется изобарный процесс подвода теплоты q1 в камере сгорания ГТД к рабочему телу.

Температура рабочего тела (газа) в результате повышается и достигает максимального значения в цикле ТГ.

В процессе осуществления этих двух термодинамических процессов к рабочему телу извне сообщается энергия в виде теплоты, направленной на увеличение внутренней энергии. Таким образом, рабочее тело располагает большим запасом энергии, которая отбирается в последующих термодинамических процессах расширения.

3. Обратимый адиабатный процесс расширения газа (понижения давления), осуществляемый в газовой турбине (линия Г — Т) и в выходном устройстве (линия Т — С).

От точки Г до точки С между сечениями (см. рис. 5.2) происходит общий процесс расширения газа по обратимой адиабате до давления окружающей среды pC = pH. На начальном участке этого процесса расширение газа происходит в турбине до точки Т между сечениями Г и Т (см. рис. 5.2), а затем

155

расширение продолжается в сопле до точки С. Положение точки Т может быть различным для разных типов ГТД. У ТВД и вертолетных ГТД (ТВаД) точка Т практически совпадает с точкой С, так как расширение в сопле почти или совсем отсутствует. У одноконтурных ТРД точка Т занимает предельно верхнее положение, определяемое минимальной работой турбины, необходимой только для привода компрессора.

4.Условный изобарный процесс отвода теплоты q2 от рабочего тела (газа)

вхолодильник (линия С — Н), роль которого выполняет окружающая двигатель атмосфера.

Этот процесс является процессом, замыкающим цикл.

5.4. Работа и термический КПД цикла ГТД

Для оценки качества преобразования тепловой энергии, подведенной к воздуху в камере сгорания, в механическую работу и влияния на этот процесс различных факторов определим работу цикла (Lц) и термический КПД цикла (ηt).

Параметрами, определяющими Lц и ηt, являются:

а) степень повышения давления воздуха в двигателе π∑

где πВх = pВ — степень повышения давления воздуха во входном устройстве; pH

πК = pК — степень повышения давления воздуха в компрессоре; pВ

pК — давление воздуха за компрессором;

pН — давление воздуха на входе в двигатель;

б) степень подогрева воздуха в двигателе

θ = ТГ / ТН , (5.7)

где ТГ — температура газов перед турбиной;