Авиационная и ракетно-космическая теплотехника. Введение в специальность Бурдаков В.П., страница 13

+ 100 2 10з — 1О )ОЗ 2 10з Аэростатические Газобал- лонные Электро- статиче- Квантовые Раднацион- ные ЖРД ГРД ПВРД ПУВРД Паропорш- незые Воздух сжатый до 2,5 10 Пвв баллоне нз армированного стекловолОкна 8 1О урОвень скис Рсэхтивно- баллонные Магнито- статнче- Электроре- активные РДТГ ТРД Газопорш- невые с Водород, сжатый до 2,5 10 Пв в баллоне 107 ГО з 1000 скис внутрен- ним нагре- вом Тепловой аккумуля- тор на1лН вЂ” 188 2 1О Грависта- тические Светоста- тическне Газобел- лонные нагревае- мые Элехгро- магнитные Вихревые Газопорш- невые с Жидкий кислород и углеводородное го- рючее 107 -30... +50 8 10 внешним явгревом Самые энергоемкие химические компо- ненты (Ы + Р и Ве + о ) — 50...

+ 50 2,5 10 10" Аэростати- ческне Механиче- ские Жидко- баллояные на- грезае- мыс Гззореак- тнзные Сиарядо- метзтель- ные Миномета- тельные Таблица 9 Аккумулятор Удельная энергия,теоретическая, Дж/кг Удельяая энергия практичесюш, Дж/кг Количество цик- лов зарядки Бортовые источники электроэнергии могут зависеть от работы основных (тяговых) двигателей н даже входить в нх состав, а могут быть н независимыми (табл.9), Из таких независимых источников наиболее распространен на РКЛА топливный элемент. На других типах ЛА применяются нсе виды перечисленных н табл.

9 аккумуляторов. Внешние источники энергии н околоземном пространстве возглавляет, естественно, атмосферный кислород н нижних (до выспты 30 км) слоях атмосферы и лучистая энергия Солнца. Для определе- 220 523 295 300 3360 ЗО 90 60 60 650 8000 150 1000 2000 ЗО Классифмкация двигателей летательных аппаратов Механические Пиевмостатнчесхве (воздушнаяя подушка) Удельная энергия бортовых аккумуляторов энергии Характеристика электрических аккумуляторов Кадмиезо никелевый Серебряно-цинковый Серебряно-кадмиезый Никелево-зодородный Водородно-кислородный (топливный элемент) «,ли 50яяипаииекаос амс ка янсоосе я 0 яисиаосин кмс яо Еисоосе я-гао ля Эясягия яеаврияяам века 0 косиосе Раооаииояяо~с иосси, 0 яастиасти, яа Я" Огяя ли якексоросяиасичсскос аояе ки еисолос Н 500 ли Ляяоя0еряая е =ег со 'ди/н~ Ел +ля О Ес 5 СОЯ Ее=5 Ся л Е Ь Ы'с Е еяоо- сеж сош ! Яаи0еисачии и кяисеио- аитииии 500 некая ко ескао Гсяоо0ая «иноческая -,т -Е -С 0 С г 5 9 5 , ейск 0-1 нтк Рис.

09 Используемые энергоресурсы оказывают решающее влияние на облик, конструкцию и характеристики двигателей ЛА. З.З. Паровые двигатели Как известно, первые в мире самолеты, например самолет А.Ф. Можайского, были оснащены паровымн двнгателямн, то есть двнга- ния эффективности авиационного химического бортового аккумулятора, учитывая, что кислород на борту не запасается, а черпается нз атмосферы, следует данные табл,3 умножить для углеводородного горючего на 3,5. Солнечная энергия на космических аппаратах используется практически с первых шагов космонавтики (1-й американский и 3-й 2 советский ИСЗ), то есть с 1958 г. В космосе на орбите Земли на 1 м поверхности, расположенней перпендикулярно к солнечным лучам, поступает энергия 1,4 кВт/м, В атмосфере Земли эта энергия ног степенно ослабляется за счет рассеяния и поглощения и на ее пег верхности составляет всего лишь 1 кВт/м .

Характеристики других видов внешней энергии в околоземном пространстве приведены на рис. 19. телями внешнего сгорания или в более общем случае — внешнего подвода телла к ТРТ. Как это ни странно, но спустя более 100 лет, паровые двигатели снова стали рассматриваться в качестве перспективных для ДА самого разного назначения. Диаграммы состояния ТРТ (рск и Та) вблизи критической или тройной точки К, характеризующейся тем, что в ней жидкое, парожидкое и парообразное состонние вещества неотличимы, приведена на рис. 20,а и б Изотермы, или линии постоянных температур, имеют характерные изломы на линии насыщения НПК (линни начала кипения) н на линии конца кипения ВПК.

В промежутке между этими линиями, называемыми нижней и верхней пограничными кривыми НПК н ВПК, изотермы и изобары (линии постоянных давлений) совпадают, так как при квазяравновесном кипении при постоянном давлении температура остается постоянной как у жидкости, так и у пара, Пар в этом случае называется влажным насыщенным, то есть содержит мелкяе капли жидкости, Под влагой обычно понимают только воду, но здесь термин ивлажныйь имеет более широкое значение, так как относится ко всем кипящим жидкостям. На практике нагрев жидкости, как н охлаждение пара, происходит не бесконечно медленно-квазистатически, а в реальное, то есть конечное время.

В этом случае наблюдается перегрев жидкости, сопровождаемый отставанием начала испарения от НПК, а также переохлаждении лара, сопровождающееся отставанием начала конденсации от ВПК. Существуют, однако, характерные для каждой жидкости линии предельных перегревов н линии предельных переохлаждений для паров (на диаграммах не показаны) . Прн этом ВПК для ряда жидкостей, например этилового эфира, могут проходить почти вертикально или даже с отрицательным наклоном.

Вот почему этиловый эфир оказался подходящим веществом для создания камеры Вильсона, позволяющей в переохлажденном паре наблюдать треки элементарных частиц — следы мгновенной конденсации пара в местах, возмущенных движением этих частиц. Пузьсрьковьсе (водородные) камерьс служат для тех же целей, но используют эффект мгновенного испарения перегретой жидкости. Существуют также жидкости, например нефть, у которой НПК н ВПК вообще не наблюдаются, а точнее, сильно размыты из-за того, что они не совпадают для различных фракций нефти (бензнн, легроин, керосин н т.д.). Вода в этом отношении является классической жидкостью.

Для нее критические значения равны: р„=22!,3 1О Па, Т„~=б47,ЗК, 1кг. Критическим коэффициентом называется выражение являющееся критерием гпермоди«амического «одобил веществ. Для воды 1чн о-— 422 для большинства газов: Фн —— 334 Фс,=334 2 н,=~ с!=~ Фо — -3,34, то есть водород, гелий и кислород можно считать веще- 2 ствами термодинамическими подобными. Паровой двигатель — устройство, использующее все фазы вещества, изображенные на диаграмме рис. 20, а и б.

Схема парового двигателя приведена на рис. 21,а, арф — диаграмма эамкнугпого термодинамического цикла его работы — на рис. 21, б. Рис г! Процесс нагрева жидкости ВС, то есть процесс подвода к ней тепла, происходит при постоянном давлении и называется иэобарическим, нли изобарным. Процесс этот реализуется в котле 1 и «аро«ерегревигпеле 2. Подведенное тепло как бы состоит из трех частей д=о +к+ з„,„, Дж, Риа 20 где с) ж — тепло, необходимое для нагрева жидкости до температурьс кипения; г — теплота испарения жидкости (тепло и теплота — понятия эквивалентные и применяются согласНо установившейся терминологии); 9 р теплота перегрева пара, Дж.

Процесс СД вЂ” рабочий. Перегретый пар высокого давления поступает на турбину 3 или в поршневую машину, превращающую потенциальную энергию пара в механическую работу. Процесс расширения СД идет, как правило, без подвода или отвода тепла и тогда он называется адиабатическим, или адиабатным, а замкнутый паровой цикл — циклом Ренкина, но могут быть и другие варианты. Конденсация пара ДА происходит в конденсаторе 4, а нагнетание жидкости в котел АВ осуществляет насос 5. В частности, возможен ступенчатый процесс, в котором процессы расширения в ступенях турбины могут чередоваться с процессами дополнительного перегрева пара, а получившаяся <<лесенка» приблизится к более выгодной кривой для расширения — изотерме Площадь над кривой процесса эквивалентна произведенной паром работе и под изотермой эта площадь выше.

В энергоустановках ЛА, особенно космических, процесс конденсации организовать чрезвычайно трудно. Применяются большие по площади и громоздкие холодильники-иэлучатели, поскольку тепло возможно отвести от ТРТ только с помощью его излучения в космическое пространство, 3.4. Поршневые двигатели внутреннего сгорания Термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания называются газовыми, поскольку ни в одном из термодинамических процессов, составляющих эти циклы, не присутствует конденсированная фаза ТРТ.

Кроме того, эти циклы называются прямыми, поскольку позволяют получить механическую работу, в отличие от обратных циклов орудий (компрессор, например), требующих подвода механической работы извне. Наконец, название циклу дает процесс, при котором подводится тепло (изобарный, изохорный или смешанный цикл). Основными элементами поршневого двигателя являются (рис,22, а) цилиндр 1, поршень 2, шатун 3, прикрепленный к поршню с помощью поршневого пальца 4 и соединенный с кривошипам 5 коленчатого вала б.

то .9 11 »о В у Р ХО Т 7.,е ()с<СT ~ ЬИТ Нйт ЬИт ННТ гче зз Верхняя крышка 7 цилиндра, внутренние стенки цилиндра и верхняя поверхность поршня образуют в верхней мертвой точке (ВМТ) поршня камеру сгорания 8, периодически сообщающуюся с впускным 9 и выпускным 10 коллекторами при помощи впускного 11 и выпускного 12 клапанов. Если вспьсшка топлива производится от постороннего источника, то этот источник, например электрическая свеча 13 зажигания, также располагается в камере сгорания.

Все детали двигателя монтируются на его картере 14. Индикаторная диаграмма поршневого двигателя с помощью датчика давления, расположенного в камере сгорания, регистрирует изменение давления в зависимости от положения поршня, то есть в завясимости от геометрического объема надпоршневого пространства или времени (рис. 22,6). Для четырехтактных поршневых двигателей характерны такт всасывания 1-2, такт сжатия 2-3, заканчивающийся процессом сгорания 3-4, захватывающим и часть такта расширения 4-5 и, наконец, такт выхлопа-выталкивания (5-6). Для термодинамического анализа реальную индикаторную диаграмму представляют в идеальном виде: убирают такты всасывания и выталкивания, в качестве ТРТ рассматривают идеальный газ, процесс сгорания заменяют условным процессом подвода тепла, строят идеальный термодинамический цикл только из простейших политропных (рг"=сопзс) процессов: изохорного (с<=сопзс), изобарного (р=сопзс), изотермного (Т=рг=сопзс) и адиабатного (р г =сопзс, г рис.

зе Т, Ч =1- —. Тз гас. гз 73 72 где к=С IС вЂ” отношение теплоемкости ТРТ при постоянном р г давлении к его же теплоемкости при постоянном объеме). Двигатели легкого топлива (бензиновые) работают по изохорному циклу (циклу Отто) рис.23, а. Двигатели тяжелого топлива (дизельные) работают по изобарному циклу (циклу Дизеля) рис.23, б. Быстроходные двигатели работают по смешанному циклу.