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

11

Используемые индексы

* – параметры заторможенного потока

О – параметры при работе на стенде (Vп = 0) Н – параметры невозмущенного потока

Вх – параметры на входе во входное устройство В – параметры на входе в компрессор К – параметры на выходе из компрессора Г – параметры на входе в турбину Т – параметры на выходе из турбины

С – параметры на выходе из реактивного сопла кр – параметры в критическом сечении ад. – адиабатный а – осевое

u – окружное

вх. у. – входное устройство вых. у. – выходное устройство в – воздух внешн. – внешний вн. – внутренний г – газ ид. – идеальный

исх. – исходный кр. – критический

к.с. – камера сгорания к – компрессор кин. – кинетический

мех. – механический max – максимальный min – минимальный несж. – несжимаемый opt – оптимальный пот – потенциальный р – расширение с – сопло сж – сжатие см – смесь ср – средний

с.р. – степень располагаемая ск – скачок уплотнения т – турбина техн – технический

t – термический

r – трение, радиальное ун – универсальный ц – цикл Σ – суммарный

η – коэффициент полезного действия i – компонент, доля компонента

12

Предисловие

Дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является базовой для изучения ряда специальных дисциплин и вместе с тем имеет самостоятельное значение для подготовки авиационного инженера. Знание этой дисциплины необходимо для понимания и расчета процессов, протекающих в элементах летательных аппаратов и их силовых установок, анализа совершенства авиационных двигателей и холодильных установок, определения температурного состояния деталей авиационных конструкций, понимания принципов действия систем их тепловой защиты и работы теплообменных аппаратов.

При создании пособия автор исходил из необходимости в небольшом объеме изложить теоретические основы дисциплины на уровне современных достижений термодинамики и теплопередачи, подчинив изложение материала задачам подготовки авиационного инженера.

Всоответствии с этим настоящее пособие отличается от других аналогичных изданий большим вниманием к физической сущности изучаемых явлений, несколько иным распределением материала по темам и авиационной направленностью. В частности, в первом разделе учебного пособия более подробно описаны первый и второй законы термодинамики, вопросы исследования идеальных циклов тепловых двигателей, основной задачей которых является определение степени преобразования подведенного тепла в работу; оцениваются пути повышения эффективности циклов тепловых двигателей, что вызвано большим значением этих тем для подготовки авиационных специалистов. Материал излагается на примерах авиационной техники с решением практических задач по большинству тем раздела пособия.

Всвоей работе автор опирался на многолетний научный и учебно-

методический опыт высших авиационных учебных заведений Министерства

обороны Российской Федерации и СПбГУ гражданской авиации.

13

Автор выражает глубокую признательность рецензентам пособия Е. А. Куклеву и Р. Н. Кокошкину за высказанные ими предложения,

направленные на улучшение рукописи. Особую благодарность автор выражает студентам инженерно-технического факультета СПбГУ гражданской авиации К. Межину, М. Байбородиной, В. Лазареву за помощь в наборе текста и выполнении иллюстраций к данному пособию.

14

Введение

Термодинамика изучает закономерности взаимного преобразования различных видов энергии.

Свое название термодинамика получила от двух греческих слов: therme —

«тепло» и dynamis — «сила». Вторым словом прежде выражали различные понятия: и силу, и работу. Термодинамика возникла в XIX веке в процессе изучения оптимальных условий использования теплоты для совершения работы в связи с интенсивным развитием и использованием тепловых двигателей.

Термодинамика строится на основе фундаментальных принципов (законов,

начал), которые являются обобщением многочисленных наблюдений и выполняются независимо от конкретной природы образующих систему тел. Именно поэтому закономерности и соотношения между физическими величинами, к которым приводит термодинамика, имеют универсальный характер.

Термодинамика отличается от других научных дисциплин, изучающих окружающий нас мир. Основанная на простых наблюдениях, на несложных опытах, она развилась в удивительную стройную науку, в основе которой лежит небольшое число законов (начал). Путем строгих логических заключений, чисто математическими методами термодинамика устанавливает связи между самыми разнообразными свойствами вещества; позволяет на основании изучения одних легко измеряемых величин вычислять другие,

важные и необходимые, но трудноизмеряемые или даже недоступные непосредственному измерению.

Каким бы сложным ни было изучаемое явление, к какой бы отрасли познания оно ни относилось — всюду и всегда наиболее важным будет превращение одного вида энергии в другой.

Первым тепловым двигателем была паровая машина. За короткий период она нашла широкое применение в промышленности. Для совершенствования и

15

расчетов подобных машин необходимо было теоретическое описание происходящих в них процессов. В решение этой задачи вложили свой труд многие ученые. В 40-х годах XIX века благодаря исследованиям русских

ученых Г. Гесса, Э. Ленца и зарубежных Ю. Майера, Д. Джоуля и

Г. Гельмгольца был установлен первый закон термодинамики, являющийся частным случаем закона сохранения и превращения энергии в применении к термодинамическим системам, основные положения которого были сформулированы М. В. Ломоносовым в 1748 году.

В середине XIX века немецкий ученый Р. Клаузиус и английский физик В. Томсон установили второй закон термодинамики. В своих исследованиях они развивали идеи, впервые высказанные французским ученым С. Карно в

1824 году.

Большое значение для развития термодинамики имели исследования русских и советских ученых: открытие Д. И. Менделеевым критического

Н. Н. Шиллером; работы по теории паровых турбин А. А. Радцига;

исследования теплофизических свойств рабочих тел М. П. Вукаловича,

В. А.Кириллина и др.

Благодаря трудам советской школы ученых в нашей стране созданы современные тепловые двигатели, в частности ГТД для самолетов и вертолетов, обеспечивающие их высокие летно-технические характеристики.

Бурное развитие авиационной техники поставило перед термодинамикой ряд новых задач, от решения которых зависит дальнейшее развитие ГТД.

Современные авиационные двигатели непрерывно улучшаются и изменяется.

Для того чтобы изучить и понять эти изменения, объяснить те или иные недостатки, обнаруженные при эксплуатации, принять правильные и грамотные решения для их устранения, необходимо иметь прочную

16

теоретическую базу, что позволит объяснить сущность протекания различных процессов в современном ГТД.

Методы технической термодинамики лежат в основе теории авиационных двигателей и их элементов, холодильных и энергетических установок; они позволяют анализировать газовые потоки, определять изменения состояния различных рабочих тел.

Таким образом, термодинамика является той фундаментальной базой,

которая объясняет закономерности протекания физических процессов в ГТД,

конструктивные схемы, пути совершенствования ГТД, диагностики авиационных силовых установок и грамотной летной и технической эксплуатации силовых установок воздушных судов.

Термодинамика в настоящее время охватывает широкий круг вопросов.

Содержание курса термодинамики направлено на изучение рабочих процессов главным образом авиационных ГТД и ДВС и использования для их описания и расчета аппарата термодинамики. В данном пособии рассмотрена только часть термодинамики, называемая технической термодинамикой. Она изучает термодинамику газов, свойства которых соответствуют характерным для авиадвигателей диапазонам давления и температур, а также процессы взаимного преобразования тепловой и механической энергии, происходящие в тепловых двигателях.

17

Глава 1. Газ как рабочее тело термодинамических систем

1.1. Структура основных понятий термодинамики авиационных ГТД

Основные понятия термодинамики, имеющие отношение к процессам,

происходящим с рабочим телом в авиационных газотурбинных двигателях,

представлены на рис. 1.1.

Рабочее тело

Параметры состояния рабочего тела

Основные термодинамические процессы и их практическая реализация в элементах авиационных ГТД

Рис. 1.1. Структура основных понятий термодинамики авиационных ГТД

18

Применительно к авиационному двигателю рабочим телом называют воздух атмосферы Земли, представляющий собой смесь газов (табл. 1.1). Контрольной поверхностью воздуха является внутренняя поверхность цилиндра и поверхность поршня (в поршневых двигателях внутреннего сгорания), поверхность вращающихся и неподвижных лопаток и внутренняя поверхность каналов (в авиационных ГТД). В качестве внешней среды в авиационных двигателях выступает конструкция тепловой машины, форсунка,

распыливающая топливо и другие элементы.

Таблица 1.1

Состав сухого воздуха до высоты 90 км [15]

1.2. Основные понятия и определения термодинамики

Каждая наука имеет свой объект изучения.

Объектом исследования в термодинамике являются различные термодинамические системы (ТДС), представляющие собой совокупность

макроскопических тел, находящихся в тепловом и механическом взаимодействии как друг с другом, так и с внешней средой.

19

Рис. 1.2. Термодинамические системы: а — закрытая; б — открытая

Внешней (окружающей) средой называют материальные тела,

находящиеся за пределами термодинамической системы (рабочего тела).

Границы раздела рабочего тела и внешней среды называют контрольной поверхностью, или оболочкой.

Для обеспечения взаимного преобразования тепловой и механической энергии ТДС должна состоять из одного или нескольких источников теплоты,

рабочего тела и источника работы. Схема ТДС представлена на рис. 1.2.

Охарактеризуем кратко каждый элемент ТДС.

20

Источники теплоты обмениваются тепловой энергией с рабочим телом.

Различают горячие и холодные источники теплоты. Горячим источником

(теплоотдатчиком) является тело, сообщающее теплоту рабочему телу.

Холодным источником (теплоприемником) является тело, принимающее от

рабочего тела теплоту. Например, в ГТД горячим источником является факел

пламени в камере сгорания, а холодным — атмосферный воздух,

окружающий двигатель.

Источник работы обменивается механической энергией с рабочим

телом. В ГТД источником работы является его ротор.

Преобразование теплоты в работу и наоборот осуществляется посредством

рабочего тела. В ГТД рабочим телом являются воздух, газ или другое вещество

в газообразном состоянии, дающее наибольший эффект при преобразовании

теплоты в работу. Это связано с тем, что газообразное вещество при нагревании

способно увеличивать свой объем в большей степени, чем жидкость или

твердое тело, и при этом совершать большую работу расширения. Такая

способность газов обусловлена малостью сил взаимодействия между

молекулами, поэтому при решении термодинамических задач этими силами

вообще пренебрегают. Кроме того, считают, что молекулы имеют массу, но не

имеют объема. Такой газ называют идеальным. Реальный газ можно рассматри-

вать как идеальный, если он находится в достаточно разреженном состоянии.

Так, при течении через тепловой двигатель газ имеет относительно низкую

плотность, поэтому можно считать его идеальным.

По характеру взаимодействия с окружающей средой ТДС разделяются на открытые и закрытые. Если ТДС обменивается с внешней средой только энергией, она называется закрытой (рис. 1.2, а). В открытой ТДС (рис. 1.2, б) кроме обмена энергией существует также обмен веществом (рабочим телом). Если между ТДС и внешней средой отсутствует обмен и веществом и энергией, такая система называется изолированной.

Система называется изолированной в тепловом отношении, если отсутствует теплообмен с внешней (окружающей) средой.