Глава 12 Циклы газотурбинных установок (Головинцов А.Г., Юдаев Б.Н., Федотов Е.И. - Техническая термодинамика и теплопередача 1970), страница 3

На рис. 105 показана схема такой системы, являющейся одним из основных двигателей современной авиации. Воздух из атмос­феры входит в диффузор Д, из которого поступает в компрессор К. После сжатия "в диффузоре и компрессоре, которое теоретически протекает соответственно по адиабатам 1—2' и 2'—2, воздух идет в камеры сгорания КС, куда под давлением через форсунку впры­скивается раскаленное топливо.

В большинстве систем подача воздуха к топлива в камеру сгора­ния протекает непрерывно и регулируется так, что в ней сохра­няется постоянное давление. При этом процесс сгорания представ­ляется линией 2—3, параллельной оси абсцисс. Газы — продукты сгорания — поступают в турбину и после нее с большой скоростью через сопло С выходят в атмосферу.

Для работы турбины и сообщения газам большой скорости ис­течения из сопла, доходящей до 2000 м/сек и выше, продукты сгора­ния в турбине и в реактивном сопле должны расширяться. Теоре­тически это расширение протекает по адиабате 3—4' и 4'—4. На основании законов механики известно, что при истечении газов из сопла появляется реактивная сила R, действующая на сопло в направлении, обратном движению га­зовой струи. Эта мига создает тягу, вызываю­щую движение сопла и тех устройств, с кото­рыми оно скреплено. В этом и состоит прин­цип работы реактивных двигателей.

Из рассмотрения схе­мы работы воздушно-реактивного двигателя следует, что расшире­ние рабочего тела в нем происходит частично в турбине и частично в реактивном сопле. Часть энергии рабочего тела используется на

лопатках турбины и идет на сжатие воздуха в компрессоре, а часть энергии расходуется на движение самолета вследствие реактивной силы, возникающей под действием вытекающей из сопла струи. Работа численно представится величиной площади 12341.

Из сказанного следует, что идеальным циклом воздушно-реак­тивного двигателя со сгоранием топлива при р = coast должен являться термодинамический цикл, принимавшийся в качестве такового для газотурбинной установки с подводом теплоты при р = const (см. рис. 94 и 95). Теоретический к. п. д. такого цикля уже известен и выражается следующим образом:

159

При рассмотрении схемы работы воздушно-реактивного двига­теля было сказано, что сжатие воздуха по адиабате 1—2 (рис. 105) происходит как в диффузоре, так и в компрессоре. Однако можно представить себе следующий предельный случай: все сжатие от давления р₁ до р₂ происходит только в диффузоре. Компрессор, а с ним и турбина отсутствуют. В этом случае мы получаем так назы­ваемый прямоточный воздушно - реактивный двигатель. Схема такого двигателя показана на рис. 106. Эти двигатели

также применяют в авиации. Следует иметь в виду, что прямоточ­ные двигатели со сгоранием топлива при р = const могут эффек­тивно работать только при весьма больших скоростях их движения. Очевидно, что идеальным циклом прямоточного двигателя (рис. 106) явится тот же самый цикл, который был идеальным для турбокомпрессорного воздушно-реактивно­го двигателя.

Рассмотренные выше системы воздушно-ре­активных двигателей отличались тем, что в их камерах сгорания давление не менялось. Последнее обеспечивает­ся соответствующей ор­ганизацией непрерыв­ной подачи в нее возду­ха и топлива. Однако такие двигатели могут работать и при сгорании топлива при постоянном объеме. Для этого воздух и топливо в камеру сгорания следует пода­вать периодически. На рис. 107 показана схема прямоточного воз­душно-реактивного двигателя со сгоранием топлива при v = const. Воздух, поступая в диффузор Д, сжимается (адиабатный процесс 1—2) и силой своего давления открывает обратные клапаны OR, установленные в перегородке, разделяющей диффузор и камеру сгорания. При этом воздух вытесняет из диффузора и камеры сго­рания большую часть газов — продуктов сгорания, оставшихся от предыдущего цикла. Одновременно с воздухом в камеру сгора­ния подается и топливо. Образовавшаяся горючая смесь нагре­вается от стенок камеры сгорания и оставшихся от предыдущего цикла горячих газов и воспламеняется. В результате в камере сго-

161

рания резко возрастает давление (теоретически при v = const, процесс 2—3), и обратные клапаны закрываются. Продукты сгора­ния начинают вытекать в атмосферу через выпускную трубу — сопло с, а в камере сгорания давление падает теоретически по адиабате 3—4. При некотором давлении обратные клапаны снова открываются, и в камеру сгорания поступает новая порция воз­духа, сжатого в диффузоре. Процесс повторяется снова. Поэтому особенностью рассматриваемой системы воздушно-реактивного двигателя является прерывистость его рабочего процесса. На этом основании такой двигатель называют пульсирующим.

В отличие от прямоточного воздушно-реактивного двигателя со сгоранием топлива при р = const (непрерывный процесс горе­ния) пульсирующие двигатели могут эффективно работать и при сравнительно небольших скоростях движения двигателя. Это обусловливается тем, что максимальное давление рабочего тела в цикле определяется не только степенью сжатия, которая тем меньше, чем меньше скорость относительного движения, но и степенью повышения давления в процессе сгорания топлива

Р₃

( отношение — ) .
Р₂

Более подробное рассмотрение рабочего процесса пульсирую­щего двигателя и сравнение его с процессом газотурбинной уста­новки с подводом теплоты при v = const приводит к выводу о том, что для пульсирующего двигателя и установки с подводом теплоты при v = const идеальный цикл один и тот же. Этот цикл показан на рис. 97 и 98. Его термический к. п. д. определяется уравнением (232)

§ 67. Циклы жидкостных реактивных двигателей

Воздушно-реактивные двигатели работают только в воздушной среде, откуда они получают окислитель (кислород воздуха), необ­ходимый для горения топлива. Однако от современной техники тре­буется создание таких реактивных двигателей, которые могли бы работать в безвоздушном пространстве. Особенно большое значение приобретают эти требования в настоящее время, в эпоху космиче­ских полетов. Таким требованиям могут отвечать только двигате­ли, получающие топливо и окислитель из специальных хранилищ, являющихся неотъемлемой частью тех систем, которые они обслу­живают (например, летательные аппараты).

По свойствам топлив и окислителей такие двигатели разделяют на жидкостные реактивные двигатели и двигатели твердого топ­лива. У первых и топливо, и окислитель жидкие. Топливом для

6 Головшщов п др.

наибольшая допустимая температура Тмах=900К. Определить параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла и термический к.п.д. _t цикла. Вычислить зависимость _t от ’, принимая все остальные величины теми же. Для рабочего тела принять k=1.41, c_p=1.0 кдж/(кг_*град)

Пример1. Для цикла газотурбинной установки с подводом теплоты при p=const (рис 94 и 95) дано: начальное давление р1=0.98 бар; начальная температура Т1=300К; степень повышения давления ’=8;

этих двигателей служат керосин, спирт и другие жидкие горючие вещества. Окислителями могут быть жидкий кислород, азотная кислота, перекись водорода. Двигателями твердого топлива яв­ляются, например, пороховые двигатели. Как известно, для сгора­ния пороха не требуется «внешних» окислителей. Рабочие процессы пороховых двигателей рассматриваются в специальных курсах. Ниже даются самые краткие сведения о цикле жидкостного реак­тивного двигателя.

Схема устройства жидкостного реактивного двигателя показана на рис. 108. Из топливного бака ТБ и бака окислителя 0В топ­ливо и окислитель подаются специальными насосами ТН (топлив­ный насос) и ОН (насос окислителя) в камеру сгорания КС, где

топливо сгорает и обра­зующиеся газы (продукты горения) выходят через сопло с большой скоро­стью.

В результате истечения газов появляется реактив­ная сила R. Под дейст­вием этой силы вся си­стема, на которой установ­лен двигатель (например, летательный аппарат), пе­ремещается.

Если пренебречь объе­мами жидких топлива и окислителя и работой, за­траченной на их подачу в камеру сгорания (работа насосов ТH и ОН), то рабочий процесс жидкостного реактивного двигателя представится фигурой а12bа, где линия al соответствует процессу горения топлива, линия 1—2 — процессу расширения рабочего тела в сопле (теорети­чески это адиабата); линия 2b условно может быть принята за линию процесса отдачи теплоты рабочим телом холодильникам. Если рабочий процесс заменить эквивалентным ему термодина­мическим циклом, то его термический к. п. д. представится как отношение

163

Пример2. В цикле газотурбинной установки с подводом теплоты при v=const (рис 97 и 98) начальные параметры рабочего тела р1=0.98 бар; Т1=300К.

Определить параметры рабочего тела во всех характерных точках цикла и термический к.п.д. _t цикла, если степень повышения давления ’=6, а максимально допустимая в цикле температура Тмах=1100К. Для рабочего тела принять с_р=1 кдж/(кг_*град); с_v=0,711 кдж/(кг_*град); k=1,41.

165