Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Особенность двигателя со смешанным подводом теплоты состоит в том, что, в отличие от двигателя Дизеля, он не нуждается в компрессоре высокого давления для распыления жидкого топлива. Жидкое топливо, введенное в форкамеру при сравнительно невысоком давлении, распыляется струей сжатого воздуха, поступающего из основного цилиндра.
Это обусловлено тем, что в процессе сжатия давление в цилиндре растет быстрее, чем в форкамере. За счет разницы давлений и возникает поток воздуха из цилиндра в форкамеру. В рассмотренном цикле со смешанным сгоранием частично сохраняются преимущества цикла Дизеля перед циклом Отто— на начальном участке осуществляется сжатие только воздуха. Следовательно, степень сжатия е достигает больших значений.
Основными характеристиками данного цикла являются: Глава 11. Термодинамические циклы 1), = 1 — дз,/д, величина д — теплота, отводимая по изохоре Ь вЂ” а, по-преж- нему определяется соотношением (11.19) или 111.32): д = ст4т — т,), (11.46) тогда как величина д, складывается из теплоты д, подводимой в изохорном процессе с — у, и теплоты д,, подводимой в изобарном процессе у — з д1= д1~ + д1р (11.47) Очевидно, что (11.48) д1т с (Т Т ) д1л = сл(Т, — Т„). С11.49) Отсюда для термического КПД цикла со смешанным подводом теплоты получаем 1),=1 скТ Та — Тв) с,,(Тк — Тс) -~- ср(Т» — Та) С 11.5О) Выразим температуры в основных точках цикла через начальную температуру, Для адиабатного процесса сжатия а — с — — = е~ 1; Т, = Тва" 1. (11.51) в сl Для изохорного процесса с — у —" = — ~ = Х; Т„= Т,).
и Т, = Т„еа 'Х. (11.52) т„р, с рс Для адиабатного процесса расширения —, =( — ') =( — ') =( — '„*) =(р- ) . (1153) Откуда в-1 Рв-в Ть = Т е 1 = Тес~ 'аР ~,- ~ = Тв)'Р . (11.54) 332 Определим термический КПД цикла со смешанным подводом теплоты, В общем соотношении 11.5. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания Подставляя выражения (11.51) — (11.54) в формулы (11.48), (11.49) и (11.47), а затем в (11.46), получаем д = с.Т,с" 1(() — 1)+ Ф1(р — 1)) г)г = с Т,(дрв — 1).
(11.55) (11,56) или Подставляя (11.55) и (11.56) в выражение для термического КПД (11.6), получаем 1рв-1 гв- г т — 1 + й ° т( — 1) ' (11.57) Рис. 11.20 333 Из выражения (11.57) следует, что термический КПД т), циклов со смешанным подводом теплоты возрастает с увеличением е, гт и 1., а с увеличением р уменьшается. При 1 = 1 смешанный цикл обращается в цикл с подводом теплоты при р = сопз$, а при р = 1 — в цикл с подводом теплоты при о = сопзС. При этом уравнение (11.57) переходит соответственно в уравнение (11.28) или (11.44). Характер возрастания т)г с увеличением с объясняется следующим.
Чем больше степень сжатия е, тем больше полезная результирующая работа цикла. Чем больше степень повышения давления.при подводе теплоты 1, при данном е, тем больше цикл будет приближаться к циклу Отто, так как будет увеличиваться доля теплоты, подводимой при о = сопз1, и сокращаться подвод теплоты при р = сопз1, что хорошо прослеживается на Тз-диаграмме (рис. 11.20). Для рассмотренного двигателя обычно применяют = 10 — 14, )у= 1,2 — 1,7 ир = 1,1 — 1,5.
Цикл со смешанным подводом теплоты можно рассматривать как наиболее общий случай из всех г трех рассмотренных циклов неполного расширения и лежит в основе работы всех современных с высокооборотных двигателей, как оо бензиновых, так и дизелей, по- св а скольку у них индикаторная диаграмма в зоне максимальных давлений делает характерную петлю. Глава 11. ТермодинамическиЕ циклы 11.5.6. Обобщенные сведения. Необходимо отметить, что в рассмотренных четырехтактных двигателях в течение процессов всасывания и выталкивания продуктов сгорания, протекающих при давлении, близком к атмосферному, двигатель выполняет не свойственную ему работу, поэтому современные быстроходные поршневые двигатели, например, мотоциклетные, работают в два такта, а процессы всасывания и выталкивании заменяются поступлением рабочего тела и удалением его из цилиндра через специальные окна, заменяющие всасывающий и выхлопной клапаны и перекрываемые движущимся поршнем.
Двухтактные двигатели имеют такие же циклы сжатия и расширения (рабочий ход), как и четырехтактные. Результаты проведенного в этом разделе анализа эффективности циклов двигателей внутреннего сгорания справедливы лишь для идеализированных циклов без учета термодинамической необратимости, механического трения и конечной скорости сгорания. В реальных циклах рабочее тело имеет переменный состав и по своим свойствам отличается от идеального газа с постоянной теплоемкостью.
Вследствие неизбежного трения процессы сжатия и расширения происходят не по изоэнтропе, а с ростом энтропии, а принудительное охлаждение стенок цилиндра еще больше увеличивает отклонение от изоэнтропы; сгорание происходит за малые, но все же конечные промежутки времени, в течение которых поршень успевает несколько переместиться, так что условия изохорности процесса сгорания выполняются не совсем строго. Имеют место и чисто механические потери в кривошипно-шатунном механизме, в механизме газораспределения, управляющем клапанами, ит. д. Поэтому для перехода от идеальных термодинамических циклов, исследованных выше, к реальным циклам необходимо вводить внутренний относительный КПД двигателя, который определяется экспериментально, а в расчетном плане является прерогативой другой научной дисциплины — теории двигателей, 334 11,6. Цикпы газотурбинэыхустэновок 1 1.6.
Циклы газотурбинных установок 11.6.1. Основные положения. Одним из основных недостатков, присущих поршневым двигателям внутреннего сгорания, является неравномерность работы двигателя во времени. В течение ццкла температуры и давления в цилиндре резко меняются. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное неизбежно применение специальных механизмов, например кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, в поршневых двигателях внутреннего сгорания невозможно получить полное адиабатное расширение продуктов сгорания в цилиндре двигателя до значения атмосферного давления, вследствие чего работа цикла получается меньше теоретически возможной.
От этих недостатков свободен газотурбинный двигатель внутреннего сгорания, главным элементом которого является газотурбинная установка. Цикл газотурбинной установки состоит из тех же процессов, что и цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания, но существенное различие заключается в следующем: если в поршневом двигателе эти процессы происходят последовательно, один за другим, в одном и том же элементе двигателя — в цилиндре, то в газотурбинной установке эти процессы происходят в различных элементах конструкции и, таким образом, в ней нет такой неравномерности условий работы элементов двигателя, как в поршневом двигателе.
В газотурбинных установках средняя скорость рабочего тела в 50 — 100 раз выше, чем в поршневых двигателях. Все это позволяет сосредоточить в малогабаритных газотурбинных установках большие мощности. Кроме того, в газотурбинных установках реализуется адиабатное расширение рабочего тела до давления, равного давлению окружающей среды, т. е. реализуются так называемые циклы полного расширения. Эти важные преимущества делают газотурбинную установку весьма перспективной. Пока еще ограниченное применение газовых турбин в высокоэкономичных крупных энергетических объектах объясняется в основном тем, что из-за недостаточной жаропрочности современных конструкционных мате- 335 Глава К К Термодинамические циклы риалов турбины могут надежно работать в области температур, значительно меньших, чем в двигателях внутреннего сгорания поршневого типа.
В поршневых двигателях температура рабочего тела меняется во времени и, следовательно„тепловой режим работы поршня, стенок цилиндра и других узлов является не таким напряженным, как в газотурбинной установке, в которой многие конструкционные элементы работают в условиях постоянного воздействия высоких температур, что приводит к снижению термического КПД турбин. Прогресс в создании новых жаропрочных материалов дает возможность применения газовых турбин в области более высоких температур. В настоящее время газотурбинные установки, благодаря своей простоте, отсутствию движущихся возвратно-поступательно частей, возможности получения больших мощностей и применению более дешевого топлива, получили широкое применение в авиации, в судостроении, на железнодорожном транспорте и в энергетике, в частности на газоперекачивающих станциях.
Циклы газотурбинных установок разделяются на две основные группы: со сгоранием при р = сопз$ и со сгоранием при и = сопз1. При этом цикл газотурбинной установки с еюдводом теплоты при постоянном давлении называется циклом Брайтона, а с подводом теплоты при постоянном объеме — циклом Гемфри. Таким образом, газотурбинные установки классифицируются ею тому же признаку, что и поршневые двигатели внутреннего сгорания — по способу сжигания топлива.
11.6.2. Цикл Брайтона. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием при р = сопа$ представлена на рис. 11.21. Компрессор 1, турбина 8, топливный насос 2 и потребитель энергии 7 (на рис. 11.21 он изображен как электро- генератор, но это может быть и любой другой потребитель энергии — гребной винт, ведущее колесо и т. п.) имеют общий вал.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
