Материал: Методичка

где  = (v_a / v_c) = (V_a / V_c)  степень сжатия газа, представляющая собой отношение удельных v (или полных V) объемов газа в процессе a-c – см. рис. 5б; k  показатель адиабаты.

Термический КПД цикла Отто возрастает с увеличением степени сжатия  и показателя адиабаты k  рис. 6.

Термический КПД цикла Отто обычно не превышает 50%.

В двигателях рабочим телом является реальный газ, свойства которого отличаются от свойств идеального газа, процессы сжатия и расширения РТ не являются адиабатическими, подвод теплоты происходит в течение конечных промежутков времени, условия изохорического или изобарического подвода теплоты не выполняются, имею место механические потери и т.д. Поэтому для перехода от термодинамических циклов к реальным необходимо вводить соответствующие поправки.

По циклу Отто работают карбюраторные двигатели.

Поскольку температура в точке с меньше температуры самовоспламенения горючей смеси, воспламенение этой смеси осуществляется от постороннего источника (электрической свечи ЭС) – см. рис. 5а.

С точки зрения роста термического КПД ПДВС выгодно увеличивать степень сжатия РТ . Однако, осуществлять сжатие до слишком высоких значений  ( > 12) не удается, т.к. по достижении определенного значения температуры РТ оно самовоспламеняется еще до прихода поршня в ВМТ. Это приводит к детонации, разрушающей элементы двигателя. Поэтому степень сжатия РТ  в

Рис.6. Зависимость термического КПД цикла Отто η_t,O от степени сжатия ε и показателя адиабаты для рабочего тела k

обычных карбюраторных двигателях не превышает 512: величина  зависит от качества топлива.

Степень сжатия РТ в цикле можно увеличить, если сжимать не горючую смесь, а воздух, в который вводится топливо. На этом принципе основан цикл Дизеля.

1.3.2. Термодинамический цикл с подводом теплоты

при p = idem (цикл Дизеля)

На рис. 7а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по цик-лу Дизеля. При движении поршня П от ВМТ к НМТ (такт всасывания) атмосферный воздух через открытый впускной клапан 1 при закрытом клапане 2 заполняет цилиндр двигателя Ц. Затем клапан 1 закрывается и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, сжимает (такт сжатия) воздух настолько, что в конце сжатия температура воздуха превышает температуру самовоспламенения дизельного топлива. Поэтому после впрыскивания дизельного топлива через форсунку Ф в цилиндр Ц оно самовоспламеняется. Образовавшиеся продукты сгорания, расширяясь, перемещают поршень П от ВМТ к НМТ  такт рабочего хода поршня. И наконец, открывается выпускной клапан 2 (при закрытом клапане 1) и поршень П, двигающийся от НМТ к ВМТ, выталкивает продукты сгорания из цилиндра Ц в атмосферу  такт выхлопа. Затем все процессы повторяются в описанной последовательности.

На рис 7б изображен термодинамический цикл Дизеля в координатах p-v. Этот цикл состоит из двух адиабат (q = 0), изобары (p = idem) и изохоры (v = idem). Изображение термодинамического цикла Дизеля в координатах p-v аналогично изображению термодинамического цикла Отто, за исключением процесса c-f, в котором к газу подводится теплота q_1,p при p = idem.

На рис. 7в изображен термодинамический цикл Дизеля в координатах T-s. Отметим, что в этих координатах изохора располагается более круто по отношению к оси s, чем изобара.

Термический КПД цикла Дизеля _t,Д определяется по формуле

_t,Д = , (14)

где  = (v_f / v_c)  степень предварительного расширения газа в процессе c-z (при p = idem) . см. рис. 7б; k  показатель адиабаты.

Термический КПД цикла Дизеля возрастает с увеличением степени сжатия газа  и с уменьшением степени предварительного расширения газа   рис.8.

Термический КПД цикла Дизеля достигает 55 %.

Из сопоставления термических КПД циклов Отто _t,О (с подводом теплоты при v = idem) и Дизеля _t,Д (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 6в) следует, что в этих циклах:

при одинаковой степени сжатия газа ( = (v_a / v_c))

_t,О  _t,Д , (15)

а при одинаковой наивысшей температуре T_f

_t,Д  _t,О . (16)

Параметры состояния газа в начальной точке (p_а, Т_а) при сравнении этих циклов принимаются одинаковыми.

Степень сжатия РТ в дизельных двигателях  составляет 1222.

Рис.8. Зависимость термического КПД цикла Дизеля η_t,Д от степени сжатия ε и степени предварительного расширения рабочего тела ρ

1.3.3. Термодинамический цикл со смешанным подводом теплоты

при v = idem и p = idem (цикл Тринклера)

На рис. 9а изображена принципиальная схема ПДВС, работающего по цик-лу Тринклера. В отличие от дизельного в двигателе со смешанным подводом теплоты топливо подается через форсунку Ф в форкамеру ФК, расположенную в цилиндре Ц. Топливо в форкамере ФК самовоспламеняется.

Горение топливно-воздушной смеси начинается в форкамере ФК и заканчивается в цилиндре Ц.

На рис 9б изображен термодинамический цикл Тринклера в координатах p-v. Цикл Тринклера состоит из двух адиабат (q = 0), двух изохор (v = idem) и изобары (p = idem). Он отличается от цикла Дизеля только процессом подвода к газу теплоты q₁: сначала теплота q_1,v подводится при v = idem (линия c-f), а затем теплота q_1,p подводится при p = idem (линия f-z), причем q₁ = q_1,v + q_1,p.

На рис. 9в изображен термодинамический цикл Тринклера в координа-тах T-s . Площадь фигуры а₁-c-f-f₁-a₁ представляет собой теплоту q_1,v, подведенную к газу при v = idem. Площадь фигуры f₁-f-z-r₁-f₁ представляет собой теплоту q_1,p, подведенную к газу при p = idem. Площадь фигуры а₁-c-f-z-r₁-а₁ представляет собой теплоту q₁, подведенную к газу в цикле, т.е. q₁ = q_1,v + q_1,p. Напомним, что в координатах T-s изохора располагается более круто по отношению к оси s, чем изобара.

Термический КПД цикла Тринклера _t,Т определяется по формуле

_t,Т = , (17)

где  = (p_z / p_c)  степень повышения давления газа  см. рис. 9б; k  показатель адиабаты.

Из сопоставления термических КПД циклов Тринклера _t,Т (с подводом теплоты при v = idem и p = idem), Отто _t,О (с подводом теплоты при v = idem) и Дизеля _t,Д (с подводом теплоты при p = idem) (см. рис. 9в) следует, что в этих циклах:

при одинаковой степени сжатия газа ( = (v_a / v_c))

_t,Д  _t,Т  _t,О , (18)

а при одинаковой наивысшей температуре T_z

_t,Д  _t,Т  _t,О . (19)

Степень сжатия воздуха  в двигателях, работающих по циклу Тринклера, составляет 1222.

1.4. Термодинамические циклы газотурбинных двигателей

Газотурбинным двигателем (ГТД) называется ТД, в котором процессы, образующие цикл, происходят в различных элементах двигателя: осевом компрессоре, одной или нескольких камерах сгорания и одной или нескольких газовых турбинах [3, 5, 7, 8].

Газотурбинные двигатели подразделяются на газотурбинные установки (ГТУ), используемые, в частности, в качестве энергопривода центробежных нагнетателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов, и турбореактивные двигатели (ТРД), применяемые в авиации.

По способу подвода теплоты циклы ГТУ делятся на две группы:

1) цикл с подводом теплоты при постоянном объеме (v = idem) или цикл Гемфри;

2) цикл с подводом теплоты при постоянном давлении (p = idem) или цикл Брайтона.

1.4.1. Термодинамический цикл газотурбинной установки

с подводом теплоты при v = idem (цикл Гемфри)

На рис. 10а изображена принципиальная схема ГТУ, работающей по циклу Гемфри. Атмосферный воздух с начальными параметрами p_a и t_a сжимается в осевом компрессоре ОК до давления p_c, что приводит к увеличению температуры воздуха до t_c. Сжатый в осевом компрессоре ОК воздух поступает в камеры сгорания КСг через впускной клапан 1, а газообразное топливо  через впускной клапан 2 (клапан 3 при этом закрыт). Горение топливно-воздушной смеси происходит при закрытых клапанах 1, 2 и 3, т.е. в камерах сгорания КСг осуществляется изохорический (v = idem) подвод теплоты. Поскольку процесс сгорания топливно-воздушной смеси в камерах сгорания КСг происходит периодически, такая ГТУ имеет несколько камер сгорания, работающих со сдвигом во времени происходящих в них процессов. Давление и температура образовавшихся продуктов сгорания увеличиваются до p_z и t_z. Затем открывается выпускной клапан 3 (клапаны 1 и 2 при этом закрыты) и продукты сгорания (ПС) поступают в газовую турбину ГТ, где они, расширяясь на лопатках, совершают работу. Тепловая энергия ПС преобразуется в газовой турбине ГТ в работу в два этапа. На первом этапе потенциальная энергия, которой обладают ПС на входе в газовую турбину ГТ, преобразуется в кинетическую энергию потока ПС, расширяющегося и ускоряющегося на рабочих лопатках газовой турбины. На втором этапе кинетическая энергия потока ПС при изменении направления его движения на лопатках газовой турбины ГТ преобразуется в механическую энергию вращения силового вала СВ, приводящего в действие нагрузку Н  центробежный нагнетатель ЦБН или электрогенератор ЭГ. После расширения в газовой турбине ГТ продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Рабочим телом в цикле ГТУ, применяющихся в газовой промышленности,

в зависимости от стадии реализации цикла являются атмосферный воздух или смесь его с продуктами сгорания топлива.

На рис 10б изображен термодинамический цикл Гемфри в координатах p-v. Линия a-c изображает процесс адиабатического (q = 0) сжатия газа в осевом компрессоре, линия c-z  процесс изохорического (v = idem) подвода теплоты q_1,v в камере сгорания, линия z-s  процесс адиабатического расширения газа в турбине и линия s-a – процесс изобарического (p = idem) отвода теплоты q_2,p в атмосферу.

Значение температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину t_z ограничивается условиями прочности и охлаждения элементов турбины.

На рис. 10в изображен термодинамический цикл Гемфри в координатах T-s. Площадь фигуры а₁-c-z-s₁-а₁ представляет собой теплоту q_1,v, подводимую к газу при v = idem, площадь фигуры а₁-a-s-s₁-а₁  теплоту q_2,p, отводимую от газа при p = idem, а площадь фигуры а-c-z-s-а на рис. 8б и 8в  работу, совершаемую в цикле Гемфри.

Термический КПД цикла Гемфри, определяемый по формуле

_t,Г = 1  , (20)

зависит от степени повышения давления газа в осевом компрессоре  = (p_c / p_a), соотношения давлений газа в процессе подвода теплоты q_1,v в камере сгорания  = (p_z / p_c) и от показателя адиабаты k.

Термический КПД цикла Гемфри возрастает с увеличением степени повышения давления газа в осевом компрессоре  и соотношения давлений газа в процессе подвода теплоты в камере сгорания .