Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В. (1013734), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Необходимо отметить, что при понижении температуры Т, (в конце адиабатного сжатия) эффективность применения регенерации увеличивается. 343 Глава 11. Термодинамические циклы Рис. 11.29 Об этом свидетельствует и сам цикл, изображенный на Тз-диаграмме (см. рис. 11.27). Действительно, чем ниже Т, тем больше участок изобары 2 — 3, на котором может осуществляться процесс регенерации. Одним из способов повышения КПД газотурбинных установок является ступенчатый подогрев рабочего тела и ступенчатое сжатие воздуха в компрессоре с охлаждением его между ступенями.
Схема такой установки, также имеющей регенерацию, показана на рис. 11.29. Как видно из схемы, установка имеет один промежуточный подогрев рабочего тела и одно промежуточное охлаждение сжимаемого воздуха. Термодинамический цикл подобной установки показан на рис. 11.30. Воздух, всасываемый из атмосферы, сжимается адиабатно (1 — 1') в первой ступени компрессора 8 (см. рис. 11.29). Затем а) Рис. 11.30 344 1 Кб. Циклы газотурбинных установок он направляется в теплообменник-холодильник 6, где охлаждается при постоянном давлении (1' — 1") до первоначальной температуры, После теплообменника 6 сжатие воздуха продолжается по адиабате 1" — 2 во второй ступени компрессора 7.
Сжатый таким образом воздух по воздухопроводу б' поступает в теплообменник-регенератор 5, где тюдогревается по изобаре 2 — 3. Подогретый в регенераторе воздух через воздухопровод 4 попадает в камеру сгорания 3, в которой подогревается дополнительно за счет подвода теплоты д~ по изобаре 3 — 4 от горячего источника теплоты за счет сгорания топлива, поданного насосом 14 по трубопроводу 2. Рабочее тело с параметрами точки 4 (см. рис. 11.30) подается в первую ступень газовой турбины 13, где происходит адиабатный процесс расширения 4 — 4'. Отработавшее в первой ступени рабочее тело вновь подается в камеру сгорания 12 и по изобаре 4 — 4" подогревается до температуры в точке 4 за счет подвода теплоты д'„'.
Подогретое таким образом рабочее тело поступает во вторую ступень газовой турбины 11, где расширяется по адиабате 4" — 5. Отработавшее в турбине рабочее тело по выхлопному трубопроводу 10 поступает в теплообменник-регенератор 6, где оно отдает теплоту проходящему по змеевику воздуху тю изобаре 6 — 6. После зтого рабочее тело выпускается в атмосферу и охлаждается по изобаре 6 — 1, отдавая теплоту в количестве д'. Выработанная установкой знергия используется потребителем 1 (см, рис. 11.29). Чем больше промежуточных стуттеней подогрева и охлаждения, тем выше термический КПД цикла.
Действительно, если представить, что в цикле (рис. 11.31) в процессе 2 — 4 теплота подводится к рабочему телу только за счет охлаждения рабочего тела в процессе Б — 1, то в силу эквидистантности изобарных процессов зти количества теплоты не должны учи- 1 тываться при определении термического КПД цикла. Если 3 5 приближенно оценить теплоту, подведенную к рабочему телу в совокупном процессе 3 — 4' в виде 6 д, = Т Лзв,, а теплоту, отдан- 1 ную холодному источнику в про- о в цессе 6 — 1' в виде тЕз = Т, Ьзв Рис. 11.31 345 Глава 11. Термодинамические циклы то в силу равенства Ьзз 4, = Лзз г термический КПД будет определяться формулой (11.7б) Т),=1 — т,1т,, совпадающей с формулой КПД цикла Карно (11.12). Однако сказанное справедливо лишь применительно к циклу с большим количеством промежуточных ступеней подогрева и охлаждения.
Очевидно, что с увеличением числа ступеней усложняется конструкция установки и ее стоимость. В связи с этим количество промежуточных ступеней подобных газотурбинных установок (ГТУ) выбирается на основе зкономического анализа, учитывающего как термодинамические, так и конструктивные и экономические факторы. В настоящее время широко применяется схема с трехступенчатым сжатием и двухступенчатым сгоранием с регенерацией. 1 1.6.4. Цикл Гемфри. Принципиальная схема газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном объеме показана на рис.
11.32. Газовая турбина 1, компрессор 2 и электрогенератор 12 имеют общий вал. Компрессор 2 подает сжатый воздух через ресивер и управляющий клапан 4 в камеру сгорания 8. Топливо подается в камеру сгорания насосом 3 через форсунку (клапан) 5. Электрическая свеча 6 используется для воспламенения топлива. Для осуществления сгорания при о = сопз$ в камере сгорания устанавливаются три клапана: топливный б„воздушный 4 и сопловой 7.
При сгорании топлива все клапаны закрыты, т. е. сгорание происходит при посто- 6 6 янном объеме. После сгорания 9 10 топлива давление повышается, 6 , 11 клапан 7 открывается,и продук- ~4 7- ты сгорания направляются в сопловой канал 9 и на лопатки турбины 10, где расширяются до 2 конечного давления и через вы- 12 пускной патрубок 11 выбрасываются в окружающую среду. Цикл газотурбинной установРис. 11.32 ки с подводом теплоты при и = 346 11.б. Циклы газотурбинных установок а) Рис. 11.33 = сопз$, часто называемом циклом газотурбинной установки периодического сгорания, или циклом Гемфри, изображен на рис.
11.33 и состоит из следующих процессов: ° а — с — адиабатного сжатия воздуха в компрессоре„" Ф с — з — подвода теплоты при постоянном объеме; ° з — Ь вЂ” адиабатного расширения продуктов сгорания в турбине до давления окружающей среды; ° Ь вЂ” а — изобарного отвода теплоты в окружающую среду. Для данного цикла основными являются следующие характеристики: ° степень повышения давления х = р,,гр;, ° степень повышения давления в процессе подвода теплоты л.
= р,гтр,. Термический КПД цикла определяется традиционной формУлой т)т = 1 — дзттт71. Количество подведенной теплоты д, в процессе с — з определяется по формуле (11.76) д,=с,(Т,— Т,). Количество отведенной теплоты в процессе Ь вЂ” а — по формуле д =с(Т вЂ” Т). (11. 77) Подставляя выражения (11.76) и (11.77) в выражение КПД, получаем т — т 1 )гт — т ' (11'78 ср(Ч'в — Тв) Tв — Тв си г к г с 347 Глава 11. Термодинамические циклы Выражая каждую последующую температуру через начальную температуру Т,, получаем для адиабатного процесса: т ~р1 с а а а для изохорного процесса с — ьч —,'= — ' =1;Т,=Т,1=Т.1.
°; Т р для адиабатного процесса г — Ь с учетом рь = р;. Отсюда й-1 1 Т,Хя й й = Т,). й х й Т Т йй„й 1 Х вЂ” 1 й (11. 79) й-~. (Х вЂ” 1)х Термический КПД цикла газотурбинной установки со сгоранием при постоянном объеме зависит от степени повышения давления х, показателя адиабатного процесса й используемого рабочего тела и степени повышения давления в процессе подвода теплоты Х. В табл. 11.3 приведены значения 1), цикла газотурбинной установки с подводом теплоты при и = сопаС и разных значениях х и Хпр)а = 1,35.
Из таблицы видно, что термический КПД цикла возрастает с увеличением степени повышения давления х и степени повышения давления при подводе теплоты. 348 Подставляя полученные значения температур Т„Т, и Тй в Формулу (11. 78), получаем 11.7. Циклы реактивных двигателей таблица 11.3 Рассмотренная установка из-за сложности конструкции камеры сгорания, напряженных условий работы турбины в пульсирующем потоке газа (в данном случае топливо подается в камеру сгорания определенными порциями, как в поршневом двигателе внутреннего сгорания, в отличие от газотурбинной установки со сгоранием при р = сопэ1, где процесс горения топлива непрерывен) не получила широкого распространения.
Заканчивая рассмотрение циклов газотурбинных установок, следует акцентировать внимание на том, что анализ эффективности этих установок проводился в предположении обратимости циклов при условии, что рабочее тело — идеальный газ, теплоемкость которого не зависит от температуры. При рассмотрении реальных газотурбинных установок, также как и при рассмотрении поршневых двигателей внутреннего сгорания, анализ циклов следует вести с учетом потерь из-за необратимости процессов.
1 1.7. Циклы реактивных двигателей 11.7.1. Классификация реактивных двигателей. Реактивными двигателями называются такие двигатели, в которых химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, вытекающей из двигателя, а получающаяся при этом сила реакции непосредственно используется как движущая сила летательного аппарата и называется силой тяги.
Направление силы тяги всегда обратно направлению ускорения, сообщаемого отбрасываемой массе. 349 Глава 11. Термодинамические циклы Все реактивные двигатели можно разделить на три основных класса: ° воздушно-реактивные двигатели, в которых в качестве окислителя используется кислород атмосферного воздуха; ° ракетные двигатели, в которых горючее и окислитель на- ходятся на борту летательного аппарата; ° комбинированные двигатели, представляющие комбина- цию ракетных и воздушно-реактивных двигателей. Работа воздушно-реактивного двигателя зависит от окружающей среды, поэтому полеты аппарата с таким двигателем н безвоздушном (межпланетном) пространстве невозможны. Ракетные двигатели могут применяться на любых высотах и для полета в межпланетном пространстве.
Если запуск этих двигателей происходит в наземных условиях,то на начальном этапе работы ракетного двигателя в составе ракеты можно использовать воздушно-реактивные двигатели, Классификация реактивных двигателей приведена на рис. 11.34. Комбинированные Рис. 11.34 350 11.7. Циклы реактивных двигателей Ракетные двигатели по роду применяемого топлива подразделяются на ракетные двигатели твердого топлива (РДТТ) и жидкого (ЖРД), ядерные ракетные двигатели (ЯРД), гидрореагирующие двигатели (ГРД) и злектрические ракетные двигатели (ЭРД). Воздушно-реактивные двигатели подразделяются на бестсомпрессорные двигатели, к которым относятся прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД), сверхзвуковые прямоточные (СПВРД), гиперзвуковые прямоточные (ГПВРД), пульсирующие воздушно-реактивные двигатели (ПуВРД) и газотурбинные.
Газотурбинные двигатели (ГТД), в свою очередь, подразделяются на турбореактивные (ТРД), турбореактивные двигатели с форсажной камерой (ТРДФ), двухконтурные (ТРДД), двухконтурные с форсажной камерой (ТРДДФ), турбовинтовые (ТВД) и турбовальные (ТВалД). К комбинированным двигателям относятся турбопрямоточные двигатели (ТПД), ракетно-прямогочные (РПД), ракетно-турбинные (РТД).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
