Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 31
Текст из файла (страница 31)
й 12.3. РЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ЦИКЛЫ Одной из мер повышения степени совершенства перехода теплоты в работу а ГТУ является применение регенерации теплоты. Регенерация теплоты заключается в использовании теплоты отработавших газов для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Экономичность ГТУ при применении регенерации повышается. Схема установки с регенерацией представлена на рис. 12.8. Воздух из компрессора 1 направляется в теплообменник 8, где оа получает теплоту от газов, вы- р шедших из турбины 5.
После подогрева воздух направляется в камеру сгорания 4, в которую через фор- у сунку от насоса 2 подводится топ- у лино. Воздух, уже нагретый отработавшими газами турбины, получает в камере сгорания меньшее коли- 1 чество теплоты для достижения определенной температуры газа перед Рис. !2.8 турбиной.
На ро- и Тз-диаграммах цикла (рис. 12.9, а, б): а-с — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; с-1 — изобарный подогрев воздуха в регенераторе; 1-г— подвод теплоты при р=сопз1 в камере сгорания; а-е — адиабатное а,! Ж Р Т Рис. 129 Расширение газа в турбине; е-2 — отдача теплоты при р=сопз! в регенераторе; 2-а — отдача теплоты при р=сопз1 в окружающую среду 761 161 Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе про. исходит до температуры воздуха, поступающего в него с темпера. турой Тя — — Т„ то регенерация будет полной.
Термический кпд цикла при полной регенерации, когда Т; — Т,=Т, — Т„ определится по формуле %= 1 Ча/Чо где й~ =с (Т,— Т,) = с, (Т,— Т,); тогда пр —— ср(Тэ — 7~) =се(7,— 7,), Тс Та % т — т Т,=Т,Ы" П~"; Т,=Т,п~"-п~"р; Т,=Т,Р и т -., =1- — =1 —— ти— т, р (12.5) Эта формула показывает, что термический кпд цикла при полной регенерации зависит как от начальной температуры, так и от температуры в конце адиабатного расширения. Обычно двигатели работают не при полной регенерации, поэтому 7~)7,. При этом термический кпд цикла должен учитывать степень регенерациии, определяемую как отношение количества теплоты, переданного воздуху, к тому количеству теплоты, которое могло бы быть передано при охлаждении газов до температуры сжатого воздуха.
При наличии регенерации теплоты термический кпд ( 1) п(ь ~пь ~(г л(ь ~нь) ( ) 12.6 1 Е П ( в ~ ь ~ > Г ь 1 ) где о= (Т,— 7,)((7,— Т,) — степень регенерации. При полной регенерации: Тэ=Т;„7,=7;, а=1. При отсутст- Р вни регенерации: 7,=7~, о=0. Степень регенерации определяется качеством и площадью ! ~г рабочих поверхностей теплообменника (регенератора). с Принципиально регенерацию теплоты можно осуществить и в ГТУ, работающей по циклу о=сопз1. При этом характер цикла, как видно из рис. 12.10, изменяется.
Подвод теплоты осу. а г ществляется как по изохоре, так и по изобаре В настоящее время регенерация теплоты Рвс 1З ~О нахоДит пРактическое пРименение в основноМ в стационарных и реже в транспортных уста новках из-за большого веса и габаритов регенератора.
162 При принятых параметрах цикла ГТУ с подводом теплоты при р=сопз1 ГЛАВА 13 ЦИКЛЪ| РЕАКТИВНЪ|Х ДВИГАТЕЛЕИ Законы истечения газов, описывающие превращение энергии давления в количество движения, находят в настоящее время важное применение в проектировании реактивных двигателей. В таких двигателях теплота, полученная от сгорания топлива, преобразуется в кинетическую энергию продуктов сгорания и используется для получения тяги. Сила тяги газов, вытекающих из сопла, Р=хх(тв — У), (13.1) где б — расход газов, кг/с; ги — скорость истечения газов из сопла, м/с; У в скорость летательного аппарата, м/с.
Тяга, отнесенная к расходу, называется удельной. Реактивные двигатели могут быть подразделены на две основные группы: воздушно-реактивные двигатели (ВРД) — бескомпрессорные и компрессорные; ракетные двигатели (РД) — жидкостные и работающие на твердом топливе. Все типы реактивных двигателей применяют в современной авиации; развитие этих двигателей позволило создать космические аппараты, которые преодолели притяжение Земли, достигли Луны, Венеры, Марса и вышли на эллиптические орбиты вокруг Солнца.
$13Л. БЕСКОМПРЕССОРНЫЕ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Бескомнрессарные ВРД делятся на нрямоточные, в которых оропесс сгорания топлива происходит при р=сопя1, и пульсирующие, в ннх сгорание топлива осуществляется при о=сопа1. В прямоточных двигателях (ПВРД) процессы протекают непрерывно. Сжатие воздуха в прямоточном двигателе осуществляется за счет скоростного напора. При этом входная часть двигателя при дозвуковых скоростях полета должна быть спрофилнрована так, чтобы в зоне горения скорость потока была порядка 150 м/с. Это необходимо для обеспечения безотрывного процесса горения топлива, впрыскиваемого через форсунки в камеру сгорания.
Постоянство давления в камере сгорания достигается "одбором поперечных сечений камеры.' На рис. 13.1, а дана простейшая схема ПВРД для сверхзвуковых скоростей полета. На схеме показаны между сечениями 1 — 1 и 11 — П вЂ” входной диффузор, 11 — 11 и 111 — 1!! — камера сгорания, !!! — 111 и /У вЂ” 1У вЂ” сопло. В нижней части рис.
13.1, а дан график изменения давления и скорости газа по тракту двигателя. На вр-диаграмме теоретического цикла ПВРД (рис. 13.1, б) линия и-с соответствует процессу адиабатного сжатия воздуха в диффувч 1оз зоре, с-я — процессу изобарного подвода теплоты, я-е — адиабат. ному расширению продуктов сгорания в сопле, линия е-а охлаждению продуктов сгорания (отвода теплоты в окружающу!о среду).
Как видно, цикл ПВРД со сгоранием при р=сопз1 ана. логичен циклу ГТУ со сгоранием при р=сопз1. Поэтому термиче. ский кпд цикла может быть определен по формуле (12.1) 1 г!г= 1 !г — Ига з (13.2) Лг а) д с/ Рис. !3.1 где лд=р,/р, — представляет собой степень повышения давления воздуха в диффузоре. Так как для адиабатного процесса сжатия Т,/Тл= = (р,/р )<д п~", то, составляя баланс энергии для диффузора по (9.1) /г,— /г,=с (Т,— Т,)=(ггг,— и,)/2, получим термический кпд ПВРД г!г г г ! +2г Т~/(гз и,) (13.3) Как л„, так и г1г возрастают с увеличением скорости полета, но с уменьшением скорости экономичность двигателя и тяга резко падают, а при нулевой скорости тяга будет равна нулю.
ПоэтомУ для запуска аппаратов с ПВРД требуются дополнительные стар. товые двигатели. Области скоростей полета, целесообразных дд" применения прямоточного двигателя, лежат в диапазоне скоро стей, в 2 ... 3 раза превышающих скорость звука. В пульсирующих двигателях (ПуВРД) для осуше ствления процесса горения топлива при постоянном объеме необ ходимо в сечениях // — // и П/ — /П (рис. 13.1, а) поставить кла паны, которые при горении топлива разобщают камеру сгораннк входной диффузор и реактивное сопло. Впрыск топлива осущест вляется периодически, когда эти клапаны закрыты. 164 Цикл ПуВРД аналогичен циклу ГТУ с подводом теплоты при р=сопз( (см.
рис. 12.5), где процесс а-с соответствует сжатию воздуха во входном диффузоре, с-г — подводу теплоты при сгорании топлива, а-е — расширению газа в сопле„ процесс е-а — условному процессу выброса в атмосферу и охлаждению в ней (при р=сопз() продуктов сгорания. Термический кпд пульсирующего двигателя можно определить по формуле (12.4), полагая, что и=ил. Пульсирующий двигатель можно применять прн меньших скоростях полета, чем прямоточный, но ненадежная работа клапанов в условиях высоких температур ограничивает возможности его прйменення. $13.2.
КОМНРЕССОРНЫЕ ТУРБОРЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Этот класс двигателей в настоящее время широко применяется в авиации. В турбореактивных двигателях (ТРД) сжатие воздуха осуществляется в диффузоре вследствие скоростного напора и в компрессоре (осевом ' или центро(вынем), имеющем высокую степень повышении давления. Из компресеора .асадух подается в камеру сгорания, а затем продукты сгорания поступают на газовую турбяну, где, расширнясгч совершают работу, идущую на привод компрессора. Окончательно расширение газа до атмосферного давлении происходит в реактивном сопле. На рис. 13.2, а представлена схема одноконтурного ТРД и график изменения параметров по тракту двигателя. Идеальный цйкл этого двигателя по сравнению с прямоточным двигателем Рис.
132 дополняется процессами, идущими в компрессоре и турбине (рис. 13.2, б). На ро-диаграмме линией а-г' изображен процесс сжатия и диффузоре, 1-с — сжатия в компрессоре, г-2 — расширения в ТУРбине, линией 2-е — расширения в реактивном сопле. Общая степень повышения давления и=или,=р,/р,. Термический кпд 165 ТРД может быть определен по формуле (12.1), из которой видно что эффективность этого двигателя будет определяться степеньи1 повышения давления в диффузоре и компрессоре.
Турбореактивный двигатель с форсажной ка. мерой (ТРДФ) отличается от рассмотренного выше ТРД нала. чием форсажной камеры между турбиной и реактивным соплом В эту камеру подается дополнительное количество топлива через специальные форсунки, и процесс горения идет в потоке, содержащем кислород, не использованный при горении топлива в основной камере. Подвод теплоты носит ступенчатый характер (рнс. а) Р Рис. 1З.З 13.3, а, б). Повышение температуры в форсажной камере увеличивает располагаемый теплоперепад в реактивном сопле, а следовательно, скорость истечения и тягу двигателя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
