Материал: Методичка

30

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА им. И.М.ГУБКИНА

_____________________________________________________________________

К.Х.ШОТИДИ, М.М.ШПОТАКОВСКИЙ,

А.Н. НАЗАРОВ

ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК И ПОРШНЕВЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Методические указания к лабораторным работам по курсам

Термодинамика и Теплотехника

для студентов специальностей: 090600, 090700, 090800,

120100, 120500, 170200, 170500, 250400, 320700, 330500, 553600

Под редакцией проф. Б.П.Поршакова

Москва  2004

УДК 621.438 (075) + 536 (075)

Циклы газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания: Методические указания к лабораторным работам.  М.: РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина, 2004  64 с.

Рассматриваются термодинамические циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок, а также конструкция основных узлов этих двигателей на примере газотурбинной установки ГТ-700-5 и поршневого двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-236. Указаны основные способы повышения энергетической эффективности тепловых двигателей.

Приводятся основные технические характеристики отечественных и зарубежных газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания, используемых в газовой и нефтяной отраслях промышленности.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов специальностей 090600, 090700, 090800, 120100, 120500, 170200, 170500, 250400, 320700, 330500, 553600, изучающих дисциплины: теплотехника, техническая термодинамика и теплотехника.

Рецензент  Калинин А.Ф., кандидат технических наук, доцент

кафедры термодинамики и тепловых двигателей

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

 Российский государственный университет нефти

и газа им. И.М.Губкина, 2003

Введение

Теория круговых термодинамических процессов (циклов) тепловых машин является одним из основных разделов курсов ″Термодинамика″ и ″Теплотехни-ка″.

Тепловые машины делятся на две большие группы: тепловые двигатели и холодильные машины.

В свою очередь, тепловые двигатели подразделяются на поршневые двигатели внутреннего сгорания, газотурбинные двигатели, называемые также газотурбинными установками, и паротурбинные двигатели, которые в настоящей работе не рассматриваются.

В методических указаниях к лабораторным работам по изучению тепловых двигателей рассмотрены основные положения теории круговых термодинамических процессов (циклов) тепловых двигателей. Рассмотрены также термодинамические циклы, рабочие процессы и элементы конструкции двух тепловых двигателей: газотурбинной установки ГТ-700-5 и поршневого двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-236.

Настоящие методические указания написаны в соответствии с новыми учебными программы по курсам Термодинамика и Теплотехника и являются дальнейшим развитием работы В.И. Кочергина и К.Х. Шотиди Термодинамические циклы, рабочий процесс, элементы конструкции газотурбинных установок и поршневых двигателей внутреннего сгорания [6].

1. Теоретическая часть

1.1. Основные положения теории круговых процессов

(циклов) тепловых двигателей

Круговым процессом называется замкнутый процесс, в котором рабочее тело возвращается в исходное состояние. Поэтому итоговое изменение параметров и функций состояния рабочего тела в круговом процессе равно нулю

, (1)

где (p – абсолютное давление; v– удельный объем; u – удельная внутренняя энергия; h – удельная энтальпия).

Периодически повторяющиеся круговые процессы, называемые также циклами, реализуются в тепловых машинах, к которым относятся тепловые двигатели и холодильные установки.

В теории циклов рассматриваются только элементы внешнего баланса – внешние термодинамическая L* и потенциальная W* работы, а также внешний теплообмен Q*. Поэтому после интегрирования по замкнутому контуру первого начала термодинамики по внешнему балансу теплоты и работы

Q* = dU + L* , (2)

получим

* = + * = * ,

. (3)

В тепловом двигателе (ТД) теплота Q₁* (Q₁* > 0) подводится от внешнего горячего источника (нагревателя) с абсолютной температурой T₁ к рабочему телу, от которого меньшее количество теплоты Q₂* (Q₂* < 0) передается внешнему холодному источнику (холодильнику) с меньшей абсолютной температурой T₂. В результате этого часть теплоты Q_ц* превращается в работу L_ц* (L_ц* > 0) – рис. 1:

L_ц* = Q_ц* = |Q₁*| – |Q₂*| . (4)

Если цикл состоит только из обратимых процессов, то его называют идеальным или термодинамическим [1, 8, 9].

Совершенство цикла оценивается термическим коэффициентом полезного действия (КПД) _t, представляющим собой отношение эффективной работы, полученной в цикле , к количеству теплоты, подведенной к рабочему телу в этом цикле ,

. (5)

Обратимые (термодинамические) циклы ТД практически неосуществимы. Однако, введение понятия таких циклов является необходимым и важным при исследовании различных реальных циклов и сравнении их между собой.

В соответствии со следствием II второго начала термостатики КПД термодинамического цикла _t не зависит от вида цикла и природы рабочего тела (РТ), а определяется только средними абсолютными температурами в процессах подвода Т_m,1 и отвода Т_m,2 теплоты [8]

_t = 1  (Т_m,2 / Т_m,1) . (7)

При увеличении Т_m,1 или уменьшении Т_m,2 КПД теплового двигателя увеличивается.

Одним из важнейших следствий постулата второго начала термодинамики является утверждение о невозможности полного превращения теплоты в работу, а значит, о невозможности создания вечного двигателя второго рода: любой ТД должен иметь два тепловых источника с различными температурами  нагреватель и холодильник.

Диаграмма реального цикла ТД отличается от диаграммы обратимого цикла, во-первых, наличием разностей между температурами РТ и внешних источников теплоты (нагревателя и холодильника) (T  0) и, во-вторых, существованием необратимых потерь в процессах расширения и сжатия РТ. Поэтому площадь диаграммы реального цикла ТД, изображенного на рис. 1 пунктирной линией, меньше площади диаграммы обратимого цикла на величину заштрихованной площади, характеризующей необратимые потери энергии в цикле.

1.2. Цикл Карно

В 1824 г. С. Карно предложил цикл, получивший впоследствии его имя. Введение цикла Карно стало важным этапом в разработке теории циклов тепловых двигателей.

Цикл Карно представляет собой обратимый цикл тепловых машин (Q* = = Q, L* = L, т.к. L** = Q** = 0), осуществляемый между двумя источниками постоянных температур – горячим (нагревателем) с температурой T₁ и холодным (холодильником) с температурой T₂: T₁  T₂. Рабочим телом в цикле Карно является идеальный газ, называемый в дальнейшем просто газ.

Цикл Карно состоит из четырех термодинамических процессов: двух изотерм (T = idem) и двух адиабат: Q = Q* = 0 [8, 9].

Цикл Карно теплового двигателя осуществляется следующим образом – см. рис. 2а. В процессе 1-2 происходит начальное изотермическое (при постоянной температуре T₁) расширение газа за счет сообщения ему теплоты Q₁ при температуре T₁. В точке 2 подвод теплоты к газу заканчивается и далее в процессе 2-3 газ продолжает расширяться, но уже адиабатически, т.е. без теплообмена с окружающей средой. При этом температура газа уменьшается до T₂. Газ, расширяясь в процессах 1-2 и 2-3, совершает полезную работу. В процессе 3-4 происходит изотермическое (при постоянной температуре T₂) сжатие газа за счет отвода от него теплоты Q₂ при температуре T₂. В точке 4 отвод теплоты заканчивается и далее в процессе 4-1 газ продолжает сжиматься, но уже адиабатически, возвращаясь в исходное состояние – точка 1. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности.

Цикл Карно можно изобразить также в универсальных координатах приведенного теплообмена T-S (рис. 2б) [1, 8, 9].

Формула для расчета термического КПД цикла Карно _t,К выводится следующим образом. Количества теплоты, подводимой к газу Q₁ и отводимой от него Q₂, определяются соотношениями

|Q₁| = | | = T₁| | = T₁|S₂ – S₁| = T₁(S₂ – S₁) , (8)

|Q₁| = | | = T₂ | | = T₂|S₄ – S₃| = T₂(S₃ – S₄) . (9)

Из соотношения (1) следует, что абсолютная величина изменения энтропии газа в процессе подвода к нему теплоты |S₁| равна абсолютной величине изменения энтропии газа в процессе отвода от него теплоты |S₂|:

|S₁| = |S₂| = |S| . (10)

С учетом соотношений (8) и (9) формула (6) для цикла Карно принимает вид

_t,К = 1 – (|Q₂*| / |Q₁*|) = 1 – (T₂|S| / T₁|S|) = 1 – (T₂ / T₁) , (11)

т.е. термический КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, зависит только от абсолютных температур T₁ и T₂.

Цикл Карно имеет большое значение в теории циклов ТД, т.к. его КПД является максимальным по сравнению с КПД любого обратимого цикла, реализуемого в том же диапазоне температур T₁ и T₂, что и цикл Карно. Это следует из сравнения произвольного цикла a-b-c-d-a с циклом Карно 1-2-3-4-1– рис. 3. Подвод теплоты к РТ в цикле a-b-c-d-a происходит при средней абсолютной температуре T_m,1, которая меньше температуры T₁ (T_m,1  T₁), а отвод теплоты – при средней абсолютной температуре T_m,2, которая больше температуры T₂: T_m,2  T₂. Поэтому КПД цикла a-b-c-d-a _t,abcda, определяемый по формуле

_t,abcda = 1 – (T_m,2 / T_m,1) , (12)

меньше, чем КПД цикла Карно _t,К: _t,К  _t,abcda. Графической интерпретацией этого неравенства является то, что площадь фигуры 1-2-3-4-1 больше площади фигуры a-b-c-d-a.

Несмотря на то, что циклу Карно следовало бы отдать предпочтение, реализация его в ТД практически невозможна, т.к. диапазоны изменения давления и объема в цикле Карно велики и поэтому диаграмма цикла Карно в координатах p-v сильно растянута – рис. 4.

Например, при параметрах РТ на входе в поршневые двигатели внутреннего сгорания p_а = 0,1 МПа, T_а = 288 K (точка а на рис. 4) и при температуре в кон-

це сгорания топлива T_c = 2073 K давление РТ в точке c цикла Карно достигает 280300 МПа, в то время как в реальных двигателях это давление не превышает 10 МПа, исходя из условия обеспечения прочности элементов двигателя. При этом изменение объема РТ в цикле Карно (v_a / v_c) составляет примерно 400.

1.3. Термодинамические циклы поршневых двигателей

внутреннего сгорания

При исследовании термодинамических (теоретических) циклов тепловых двигателей предполагается, что:

1) рабочим телом является идеальный газ;

2) количество рабочего тела на всех стадиях цикла не изменяется ;

3) теплоемкость рабочего тела постоянна;

4) на всех стадиях цикла рабочее тело химически не изменяется;

5) процессы наполнения и выпуска рабочего тела отсутствуют;

6) процесс горения топлива заменяется подводом теплоты к рабочему телу от нагревателя, а процесс охлаждения продуктов сгорания  отводом теплоты от рабочего тела к холодильнику, причем L** = Q** = 0.

По способу подвода теплоты, циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС) делятся на три группы:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = idem), называемый циклом Отто;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = idem), называемый циклом Дизеля;

3) цикл со смешанным подводом теплоты (v = idem, p = idem), называемый циклом Тринклера или Сабатэ.

1.3.1. Термодинамический цикл с подводом теплоты

при v = idem (цикл Отто)

На рис. 5а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по циклу Отто. Горючая смесь, состоящая из паров бензина и атмосферного воздуха, заполняет цилиндр двигателя Ц через открытый впускной клапан 1 при закрытом клапане 2, когда поршень П двигается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ)  такт всасывания. Затем клапан 1 закрывается и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, сжимает смесь (такт сжатия), которая воспламеняется от электрической свечи ЭС. Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень П от ВМТ к НМТ  такт рабочего хода поршня. После этого открывается выпускной клапан 2 и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ (при закрытом клапане 1), выталкивает продукты сгорания из цилиндра Ц в атмосферу  такт выхлопа. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности.

С помощью кривошипно-шатунного механизма КШМ возвратно-поступа-тельное движение поршня в цилиндре преобразуется во вращательное движение коленчатого вала, с которого снимается полезная нагрузка.

На рис. 5б изображен термодинамический цикл Отто в координатах p-v. Цикл Отто состоит из двух адиабат (q = 0) и двух изохор  v = idem. Линия a-c изображает адиабатическое сжатие газа; c-f – изохорический подвод теплоты q_1,v к газу от нагревателя; f-r – адиабатическое расширение газа; r-a – изохорический отвод теплоты q_2,v от газа к холодильнику.

На рис. 5в изображен термодинамический цикл Отто в координатах T-s (s – удельная энтропия газа). Площадь фигуры а₁-c-f-r₁-а₁ представляет собой теплоту q_1,v, подведенную в цикле к газу, площадь фигуры а₁-a-r-r₁-а₁ – теплоту q_2,v, отведенную в цикле от газа, а площадь фигур a-c-f-r-a на рис. 5б, в – работу цикла

Термический КПД цикла Отто _t,О определяется по формуле

_t,о = 1  ^(k1) , (13)