Цикл турбокомпрессорного ВРД

ЦИКЛЫ ВОЗДУШНЫХ РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В реактивном двигателе сила тяги обусловлена силой реакции потока газообразных продуктов сгорания топлива, выходящих с большой скоростью из сопла двигателя во внешнюю среду.

Идея создания реактивного двигателя принадлежит Н.И. Кибальчичу (1880 г.), а фундаментальное теоретическое обоснование принципа работы таких двигателей было сделано К.Э. Циалковским в 1903 г.

Появление таких двигателей было вызвано необходимостью создания самолетов, а в последствии и ракет, имеющих большие скорости движения. Для достижения больших скоростей самолета или ракеты необходим двигатель с малой удельной массой на единицу его мощности.

Существует два основных типа реактивных двигателей: ракетные, использующие в качестве топлива водород, озон, перекись водорода и т.п., окислитель – кислород; воздушные реактивные двигатели, использующие жидкое топливо, окислитель – атмосферный воздух (это двигатели для самолетов).

Остановимся на рассмотрении циклов воздушных реактивных двигателей (ВРД).

Цикл прямоточного ВРД

В этом двигателе используется скоростной напор воздуха летательного аппарата для предварительного сжатия воздуха в диффузоре (рис. 12.1).

Воздух со скоростью набегающего потока поступает в первую часть ВРД – диффузор, где за счет уменьшения скорости потока происходит увеличение давления воздуха. Далее воздух поступает в камеру сгорания двигателя, куда впрыскивается топливо и осуществляется его воспламенение за счет электрической искры. Процесс сгорания топлива организуется таким образом, чтобы давление и скорость потока газов не изменялись, поэтому канал камеры сгорания имеет небольшое расширение (учитывается увеличение объема газов с увеличением температуры в процессе сгорания топлива). После камеры сгорания газы поступают в сопловой канал, где они расширяются до атмосферного давления. В сопловом канале скорость потока газов возрастает, а при выходе газов из сопла с большой скоростью в атмосферу возникает реактивная сила, за счет которой и происходит движение летательного аппарата.

Приняв условно постоянным расход рабочего тела, а его свойства – соответствующими свойствам идеального воздуха, идеальный цикл такого ВРД можно показать в P,v- и T,s- диаграммах (рис. 12.2).

Изображенный цикл условно замкнут изобарным процессом отвода теплоты от рабочего тела 4-1. Это допущение объясняется тем, что газы, выходящие из двигателя, охлаждаются в атмосферной среде при постоянном давлении, а воздух поступает в двигатель при атмосферном давлении и температуре.

Цикл ВРД качественно такой же, как цикл ГТУ. В этом цикле диффузор выполняет роль компрессора (процесс 1-2), а сопло – роль турбины (процесс 3-4).

Термический КПД ВРД, как и у цикла ГТУ, соответствует выражению

, (12.1)

где – степень повышения давления воздуха в диффузоре.

Из уравнения (12.1) следует, чем больше степень повышения давления в диффузоре, тем больше КПД. Увеличить величину n в ВРД можно за счет увеличения скорости набегающего потока воздуха. В свою очередь, эта скорость зависит от скорости движения самолета. Это легко показать, выразив отношение температур Т₁ и Т₂ из первого закона термодинамики применительно к диффузору:

® , (12.2)

где с₁ и с₂ – скорости воздуха на входе и выходе из диффузора.

Из уравнения (12.2) получим величину степени повышения давления воздуха в диффузоре:

® . (12.3)

Скорость воздуха на выходе из диффузора несоизмеримо мала по сравнению со скоростью воздуха на входе в диффузор, и температура воздуха на входе в диффузор – величина постоянная, поэтому величину n определяет скорость воздуха на входе в диффузор с₁.

Из выражений (12.1) и (12.3) следует, что термический КПД ВРД будет увеличиваться с увеличением скорости движения самолета.

Схема, приведенная на рис.12.1, соответствует ВРД для дозвуковых скоростей самолетов (600 – 800 км/ч). При сверхзвуковых скоростях движения самолетов ВРД должен иметь сверхзвуковой диффузор и сверхзвуковое сопло (рис. 12.3).

Внутренний относительный КПД ВРД весьма низок и не превышает 2 – 4 % для дозвуковых скоростей, при сверхзвуковых скоростях КПД может увеличиваться более чем в 2 раза.

Необходимо отметить, что современные сверхкритические ВРД имеют на входе в сопло конусные обтекатели воздуха (рис.12.4).

Обтекатель организует газодинамическую перестройку потока воздуха от сверхзвуковой скорости до дозвуковой скорости еще до входа в диффузор. Такая конструкция заменяет суживающуюся часть сверхзвукового диффузора, что позволяет избежать скачков уплотнения потока в канале диффузора и, соответственно, снижает необратимость адиабатного процесса сжатия воздуха, т.е. приводит к увеличению давления на выходе из диффузора по сравнению с конструкцией ВРД рис. 12.3.

Для запуска ВРД требуется набегающий поток воздуха, поэтому их запуск осуществляется с помощью специальных устройств: пороховые заряды для ракет, баллоны со сжатым воздухом или стартовые жидкостные реактивные двигатели для самолетов и вертолетов и т.п.

Цикл турбокомпрессорного ВРД

В современной авиации (при скоростях более 800 км/ч) наиболее распространены ВРД, имеющие компрессор и газовую турбину. Наличие компрессора не требует специальных пусковых устройств и позволяет увеличить степень сжатия воздуха в двигателе, а соответственно и его КПД.

Схема турбокомпрессорного ВРД и его идеальный цикл в P,v- диаграмме приведены на рис. 12.5 и 12.6.

Воздух сперва поступает в диффузор 1, где осуществляется предварительное его сжатие за счет скорости набегающего потока. Дальнейшее сжатие воздуха осуществляет компрессор 2. После компрессора в камере сгорания 3 осуществляется сжигание топлива. Продукты сгорания через направляющие лопатки поступают на рабочие лопатки газовой турбины 4, находящейся на одном валу с компрессором. Вся работа газовой турбины расходуется на привод компрессора. После газовой турбины газы расширяются в сверхзвуковом сопле 5.

Процесс 1-2 на рис.12.6. соответствует сжатию воздуха в диффузоре. Работа сжатия в диффузоре l_д соответствует площади под процессом 1-2 в проекции на ось давлений. Процесс 2-3 соответствует сжатию воздуха в компрессоре l_к. Процесс 3-4 соответствует подводу теплоты к рабочему телу. Площадь под процессом 4-5 в проекции на ось давлений соответствует работе газовой турбины. Эта площадь равна работе компрессора. Процесс 5-6 соответствует расширению газов в сверхзвуковом сопле. Процесс 6-1 соответствует отводу теплоты от рабочего тела.

Термический КПД такого двигателя имеет такое же расчетное выражение, как и прямоточный ВРД

. (12.4)

Отличие от прямоточного ВРД заключается в том, что степень повышения давления воздуха в турбокомпрессорном двигателе намного больше, следовательно, и КПД его будет больше.

Турбокомпрессорные ВРД имеют большую удельную мощность на единицу их массы по сравнению с прямоточными ВРД, это позволяет использовать их на самолетах, развивающих скорости 1000 – 1500 км/ч.

Вопросы для самоподготовки к главе 12

1. Поясните принцип работы реактивных двигателей.

2. Изобразите схему и цикл в P,v- и в Т,s- диаграммах прямоточного воздушного реактивного двигателя (ВРД), поясните назначение его элементов и характер процессов, происходящих в них.

3. Поясните, от каких величин зависит термический КПД ВРД.

4. Какие особенности имеет схема сверхзвукового прямоточного ВРД по сравнению с дозвуковым прямоточным ВРД ?

5. Изобразите схему и цикл в P,v- диаграмме турбокомпрессорного ВРД, поясните назначение его элементов и характер процессов, происходящих в них.

6. Поясните, от каких величин зависит термический КПД турбокомпрессорного ВРД.

7. Поясните, почему КПД турбокомпрессорного ВРД больше, чем КПД прямоточным ВРД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материал учебного пособия по второй части технической термодинамике дает базовое представление о первом законе термодинамике применительно к открытой термодинамической системе. В нем рассмотрены такие понятия как: работа изменения давления в потоке, техническая работа, эксергия вещества в потоке.

Дан подробный анализ основных процессов, протекающих в теплоэнергетических установках: истечения газов и паров через сопловые каналы, торможения в диффузорах, смешения в объеме, потоке и при заполнении объема.

Рассмотрены циклы современных теплоэнергетических установок: паротурбинных на органическом и ядерном топливе, газотурбинных, двигателей внутреннего сгорания, реактивных газовых двигателей, парогазовых установок, холодильных установок и тепловых насосов. Для каждого цикла проведен термодинамический анализ влияния параметров рабочего тела на его экономичность и проанализированы современные варианты схем, позволяющие увеличить его КПД.

В пособии дан термодинамической анализ экономичности современных ТЭУ с применением эксергетического и энтропийного методов с наглядной их иллюстрацией в T,s- диаграммах, что позволило дать объективную картину достоинств и недостатков современных ТЭУ и указать на пути повышения их экономичности.

В конце каждой главы пособия даны вопросы для самопроверки усвоения изученного материала.

По данному пособию автором создан компьютерный учебник. Этот учебник целиком дублирует теоретическую часть пособия с наглядным динамическим цветным графическим сопровождением изучаемого материала. Кроме теоретического курса компьютерный учебник включает вопросы и задачи к каждому его разделу. Эти задания имеют ответы и наглядное графическое сопровождение. В учебнике более 360 задач. В настоящее время учебник доступен пользователям в компьютерном классе кафедры ТОТ ИГЭУ.