Лекци@21-Циклы_газотурбинных_установок_и_реактивных_двигателей [Режим совместимости] (Лекции по ТД Рыжков (PDF))

Лекции по термодинамикедоцент каф. Э6, ктн Рыжков С.В.Э6нергомашиностроение.Лекция №21Циклы газотурбинных установок иреактивных двигателей•Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная установка.•Идеальные циклы газотурбинной установки.•Пути повышения экономичности идеальных циклов газотурбинныхустановок.•Циклы воздушно-реактивных двигателей.•Циклы жидкостных реактивных двигателей.Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная установкаГазовая турбина относится к классутак называемых лопаточных машин.В ней рабочее тело - газ, имеющийвысокую температуру и давление,расширяется в специальных каналах3 (рис. 1), называемых соплами. Врезультате расширения газ приобретаетбольшую скорость.Газотурбинная установка, работающаяпо циклу со сгоранием топлива припостоянном давлении (рис 1).1-2 – компрессор3 – сопло4 – вывод в атмосферу5 – рабочие лопатки6 – диск7 – вал1-2 – адиабатное сжатие в компрессоре2-3 – сгорание топливо при P=const, газрасширяется в специальных каналах 3(сопла)3-4 – адиабатное расширение; в т.4удаляется из установки в атмосферуРис.

1. Схема газотурбинной установки (ГТУ)со сгоранием при p=const и её рабочий циклКС – камера сгорания, Т - турбина2Газотурбинная установка, работающая по циклу со сгоранием топлива при постоянномобъеме.Рис. 2. Схема газотурбинной установки со сгоранием при υ = const и её циклК – компрессор, КС – камера сгорания, Т - турбина3Газотурбинная установка, работающая по замкнутой схеме.Рис. 3. Схема газотурбинной установки, работающей по замкнутому циклуК – компрессор, КС – камера сгорания, ГК – газовый котелХ – холодильник, Т – турбина4Идеальные циклы газотурбинной установкиЦикл с подводом теплоты при р = const.Рис.

4. Идеальный цикл газотурбиннойустановки с подводом теплоты приp=constРис. 5. Изображение циклагазотурбиной установки с подводомтеплоты при p=const5q1 = cp (T3 −T2 )(1)q2 = cp (T4 −T1)(2)l = q1 − q2 = cp (T3 −T2 ) − cp (T4 −T1)l = cp[(T3 −T2 ) − (T4 −T1)](3)q2η t= 1 −q1T4T1 ( −1)c p (T4 − T1 )T1ηt = 1 −= 1−T3cp (T3 − T2 )T2 ( −1)T2T2p2=( )T1p1(4)k −1k6T3p3=( )T4p4k −1kp2 p3=p1 p4T2 T3=T1 T4T4 T3=T1 T2T1ηt = 1 −T2Степень повышения давленияp2=βp1(5)7T2p2=( )T1p1k −1k=βk −1kT11= k −1T2k(6)(7)βηt = 1 −1β(8)k −1kυ1Степень сжатия=ευ2T2υ1 k −1= ( ) = ε k −1υ2T1ηt = 1 −Рис. 6. Зависимость к.п.д. цикла с подводомтеплоты при p=const от степениповышения давления β1ε k −1(9)8Цикл с подводом теплоты при υ = const.Рис.

7. Идеальный цикл газотурбиннойустановки с подводом теплоты припостоянном объёмеРис. 8. Изображение цикла газотурбинойустановки с подводом теплоты припостоянном объёме9q1 = cυ (T3 − T2 )q2 = c p (T4 − T1 )l = q1 − q2 = cυ (T3 − T2 ) − c p (T4 − T1 )ηt = 1 −c p (T4 − T1 )cυ (T3 − T2 )cpcυ=kT4T1 ( − 1)T4 − T1T1ηt = 1 − k () = 1− kT3T3 − T2T2 ( − 1)T210T3=τT2Степень повышения температуры(10)k −1T2υ1 k −1=( ) =ευ2T1T2 = T1εk −1(11)k −1T3 = T2τ = T1ε τT4p1=( )p2T3p4T4 = T3 ( )p3k −1k(12)k −1kk −1= T1ε τp2 p2==βp4 p11p2( )p11k −1kp3( )p2p3 T3= =τp2 T2k −1k11T4 = T1ε k −1τ11k −1kk −1kβε k −1 = βτ(13)(14)k −1kT4 = T1τ1k(15)1kηt = 1 − kT1 (T1ε k −1 (ηt = 1 − kT1τ− 1)T11k −1 kT1ε τ− 1)k −1T1ε1kτ −1ε k −1 (τ − 1)T3 p3=T2 p2(16)12Степень дополнительного повышения давления — отношение давления в конце подводатеплоты при υ= const к давлению в конце сжатия:p3λ=p2ηt = 1 − kРис.

9. Зависимость к.п.д. цикла от степениповышения давления и λ1kλ −1βk −1k(17)(λ − 1)13Пути повышения экономичности идеальныхциклов газотурбинных установок1) Увеличение степени сжатия или степени повышения давления.Рис. 10. Изменение цикла газотурбинойустановки с подводом теплоты при постоянномдавлении и изменении степени сжатия142) Осуществление в цикле регенерации.Рис. 11. Схема газотурбиной установки с концевым регенератором и идеальный циклс простейшей регенерациейК – компрессор, КС – камера сгорания, Т – турбинаДля цикла без регенерацииДля цикла с регенерациейq1 = ï ë. ñ23bq1 = пл .

a 3 '3bq2 = ï ë. b 41cq 2 = пл . d 4 '1с153) Применение в цикле ступенчатого подвода теплотыРис. 12. Схема газотурбинной установки с промежуточной камерой сгорания иеё идеальный цикл. К – компрессор, КС – камера сгорания, Т – турбина,ПКС – промежуточная камера сгорания164) Применение ступенчатого сжатия рабочего тела с промежуточным охлаждением.Рис. 13. Схема газотурбинной установки, имеющей компрессор с промежуточнымхолодильником и её идеальный цикл17К – компрессор, ПХ – промежуточный холодильник, Т – турбинаРис. 14. Предельный случай цикла газотурбиной установки с применениеммногоступенчатого сжатия и камер промежуточного сгорания18Циклы воздушновоздушно-реактивных двигателейНа основании законов механикиизвестно, что при истечении газовиз сопла появляется реактивнаясила R, действующая на сопло внаправлении, обратном движениюгазовой струи.

Эта сила создаеттягу, вызывающую движениесопла и тех устройств, с которымионо скреплено. В этом и состоитпринцип работы реактивныхдвигателей.ηt = 1 −ηt = 1 −1βk −1k1ε k −1ФормулаКПД приР=constРис. 15. Схема устройства турбокомпрессорноговоздушно-реактивного двигателяи его рабочий цикл. К – компрессор,КС – камера сгорания, Д – диффузор, Т – турбина,С – сопло, R – реактивная сила19При рассмотрении схемы работы воздушно-реактивного двигателя было сказано, что сжатиевоздуха по адиабате 1—2 (рис. 15) происходит как в диффузоре, так и в компрессоре.

Однако можнопредставить себе следующий предельный случай: все сжатие от давления р1 до р2 происходит тольков диффузоре. Компрессор, а с ним и турбина отсутствуют. В этом случае мы получаем так называемыйпрямоточный воздушно - реактивный двигатель. Схема такого двигателя показана на рис. 16. Этидвигатели также применяют в авиации. Следует иметь в виду, что прямоточные двигатели сосгоранием топлива при р = const могут эффективно работать только при весьма больших скоростях ихдвижения.Рис. 16. Схема устройства воздушно-реактивного двигателяКС – камера сгорания, Д – диффузор20Рис.

17. Схема воздушно-реактивного двигателя со сгоранием топливапри постоянном объеме КС – камера сгорания, Д – диффузор,С – сопло, R – реактивная сила21Особенностью рассматриваемой системы воздушно-реактивного двигателя является прерывистостьего рабочего процесса. На этом основании такой двигатель называют пульсирующим.ηt = 1 − k1kλ −1βk −1k(λ − 1)Циклы жидкостных реактивных двигателейВоздушно-реактивные двигатели работают только в воздушной среде, откуда они получаютокислитель (кислород воздуха), необходимый для горения топлива.

Однако от современной техникитребуется создание таких реактивных двигателей, которые могли бы работать в безвоздушномпространстве. Особенно большое значение приобретают эти требования в настоящее время, в эпохукосмических полетов. Таким требованиям могут отвечать только двигатели, получающие топливои окислитель из специальных хранилищ, являющихся неотъемлемой частью тех систем, которыеони обслуживают (например, летательные аппараты).h1 − h2ηt =h1 − hbh1–h2 - работа за цикл, h1–hb – теплота, подводимая к рабочему телу в идеальном цикле22Рис. 18. Схема жидкостного реактивного двигателя и его рабочий цикл.КС – камера сгорания, ТБ – топливный бак, ОБ – бак окислителя, ТН – топливный насос,ОН – насос окислителя, С – сопло, R – реактивная сила23Контрольные вопросы•••••••Схема рабочего процесса газовой турбины. Газотурбинная установкаСхема газотурбинной установки, работающей по замкнутому циклуИдеальные циклы газотурбинной установкиСтепень дополнительного повышения давленияПути повышения экономичности идеальных циклов газотурбинных установокЦиклы воздушно-реактивных двигателейЦиклы жидкостных реактивных двигателей24.