Циклы воздушно-реактивных двигателей

Конструктивно современные воздушно-реактивные двигатели (ВРД) можно разделить на две основные группы:

1. Бескомпрессорные ВРД (прямоточные и пульсирующие);

2. Турбокомпрессорные ВРД, представляющие собой совокупность трёх агрегатов: компрессора, газовой турбины и реактивного сопла.

Несмотря на различия, по принципу действия ВРД, как и поршневые двигатели, делятся на двигатели с горением (т.е. с подводом тепла) при постоянном давлении или при постоянном объёме.

а) Двигатели с горением при постоянном давлении

К двигателям с горением при постоянном давлении относятся: газотурбинные двигатели при , прямоточные реактивные двигатели и турбокомпрессорные ВРД. Рассмотрим кратко принцип действия этих двигателей.

Газотурбинный двигатель с горением при постоянном давлении.

На рис.7.25 приведена принципиальная схема стационарного газотурбинного двигателя с горением при постоянном давлении. Действительный цикл такого двигателя приведён на рис.7.26: линия 1-2 – процесс сжатия в компрессоре; линия 2-3 – сгорание примерно при постоянном давлении; линия 3-4 – процесс расширения; линия 4-1 – охлаждение продуктов сгорания (отвод тепла) вне двигателя, т.е. в окружающей среде.

Рис.7.25. Принципиальная схема газотурбинного двигателя с горением при p = const. 1 – компрессор; 2 – камера сгорания; 3 – сопла; 4 – газовая турбина; 5 – топливный насос; 6 – форсунки.	Рис.7.26. Диаграмма v - p цикла газотурбинного двигателя с горением при p = const.
Рис.7.27.а. Схема соплового аппарата и проточной части турбины	Рис.7.27.б.. Разрез по оси газовой турбины

Продукты сгорания, имеющие высокую температуру и давление, из камеры сгорания 2 поступают в сопловой аппарат 3, в котором за счёт уменьшения теплосодержания увеличивается внешняя кинетическая энергия, т.е. за счёт уменьшения давления увеличивается скорость движения газа. Выйдя из соплового аппарата, газ проходит по криволинейным каналам, образованным лопатками турбины (рис.7.27), и меняет своё направление, вследствие чего развивается давление на лопатки турбины и создаётся вращение ротора, т.е. совершается внешняя работа.

Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ПВРД).

Рис.7.28. Принципиальная схема ПВРД

На рис.7.28 представлена принципиальная схема дозвукового прямоточного ВРД и показано изменение параметров. При движении самолёта со скоростью  воздух входит в двигатель со скоростью . В диффузоре 1-2 его скорость уменьшается, давление растёт – происходит процесс сжатия. Из диффузора сжатый воздух попадает в камеру сгорания 2-3, где, смешиваясь с распыленным топливом, сгорает при примерно постоянном давлении. (Реально давление вдоль камеры несколько уменьшается под действием гидравлических сопротивлений, растущих из-за сильного повышения температуры). Рис.7.29. Диаграмма v - p реального цикла прямоточного ВРД

На рис.7.29 приведён характер протекания реальных процессов в ПВРД: линия 1-2 – сжатие в диффузоре; линия 2-3 – подвод тепла в камере сгорания; линия 3-4 – расширение газа в сопле; линия 4-1 – охлаждение рабочего тела (изображено пунктиром, т.к. процесс происходит вне двигателя, в окружающей среде).

 

Дозвуковые ПВРД из-за невысокой степени сжатия в диффузоре имеют крайне низкий общий КПД двигателя – даже при околозвуковых скоростях не более 3-4%. Более эффективен ПВРД для сверхзвуковых полётов (рис.7.30). В этом двигателе и диффузор, и сопло должны быть вначале сужающимися, а затем расширяющимися. Это обеспечивает некоторое повышение степени сжатия и, следовательно, КПД двигателя. Однако более высокие степени сжатия только в диффузоре получить невозможно, что ограничивает применение прямоточных двигателей.

Рис.7.30. Принципиальная схема сверхзвукового ПВРД

Турбокомпрессорный воздушно-реактивный двигатель.

В настоящий момент этот тип двигателей является наиболее распространённым в авиационной технике. В этих двигателях, благодаря наличию компрессора, удалось получить более высокие степени сжатия и значительно повысить КПД. На рис.7.31 приведена принципиальная схема турбокомпрессорного ВРД, а на рис.7.32 – характер протекания реальных процессов в координатах v-p.

Рис.7.31. Принципиальная схема ТКВРД (ТРД): Д – диффузор; К – компрессор; КС – камера сгорания; ГТ – газовая турбина, где происходит частичное расширение газа; С – сопло (полное расширение газа).

Рис.7.32. Диаграмма v - p реального ТКВРД (ТРД): 1-а – сжатие в диффузоре; а-2 – сжатие в компрессоре; 2-3 – сгорание (давление немного уменьшается из-за гидравлического сопротивления); 3-б – частичное расширение в турбине; б-4 – полное расширение в сопле; 4-1 – охлаждение продуктов сгорания (отвод тепла) в окружающей среде.

Из сравнения ВРД видно, что все ВРД со сгоранием при  имеют одну и ту же принципиальную схему цикла. Однако реальные циклы незамкнуты, т.к. рабочее тело в них меняется, и необратимы. Поэтому для их теоретического анализа необходимо рассмотреть идеальный термодинамический цикл, общий для всех перечисленных выше двигателей.

Идеальный термодинамический цикл ВРД с подводом тепла при постоянном давлении.

Идеальный термодинамический цикл замкнут и обратим, в нём участвует вполне определённое рабочее тело, а вместо сгорания топлива и охлаждения рассматривают подвод и отвод тепла. На рис.7.33 и 7.34 приведён идеальный термодинамический цикл реактивных двигателей с подводом тепла при постоянном давлении в координатах v-p и S-T. Линия 1-2 – адиабатное сжатие; линия 2-3 – подвод тепла при ; линия 3-4 – адиабатное расширение; линия 4-1 – отвод тепла при .

Рис.7.33. Диаграмма v - p цикла прямоточного ВРД

Рис.7.34. Цикл прямоточного ВРД в системе координат S - T

Для определения параметров в характерных точках, теплот, работы и термического КПД цикла задаются параметры начального состояния воздуха  и  и параметры цикла  – степень сжатия или  – степень повышения давления и  – степень предварительного расширения.

Определение температур в характерных точках:

Температура в точке 2 определяется из соотношения . Т.к. , то

Температура в точке 3 определяется из условия , откуда

Температура в точке 4 определяется из соотношения . Поскольку ,  и , то . Поэтому . Подставив в это выражение значение , получим

Определение внешних теплот:

Теплота , подведённая в процессе 2-3, определяется по формуле

или, поскольку  и  , , и окончательно

Теплота, отведённая в процессе 4-1, определяется по формуле

или, поскольку , , и окончательно

Определение работы цикла:

Работа цикла определяется из выражения . Подставляя в эту формулу значения  и , будем иметь

Определение термического КПД цикла:

Термический КПД цикла ВРД определяется по общей формуле . Подставляя в эту формулу значения  и , получим

Выведенные формулы показывают, что термический КПД реактивных двигателей с подводом тепла при постоянном давлении зависит только от степени сжатия. Верхний предел допустимой степени сжатия газотурбинных двигателей лимитируется температурой газа на входе в турбину, а эта температура лимитируется надёжностью лопаток турбины.

б) Двигатели с горением при постоянном объёме

К этой группе двигателей относятся газотурбинные двигатели с горением при постоянном объёме и пульсирующие реактивные двигатели.

Газотурбинные двигатели с горением при постоянном объёме.

На рис.7.35 представлена схема газотурбинного двигателя с горением при постоянном объёме. При закрытом клапане 9 в камеру подаётся воздух и топливо, образуется горючая смесь и воспламеняется от электрической искры. Горение происходит при закрытых клапанах, т.е. при постоянном объёме. Когда давление в камере достигнет определённой величины, клапан 9 открывается, и газы поступают в газовую турбину. По мере истечения газов в давление в камере понижается, клапаны 7 и 8 открываются, и начинается новый цикл работы.

Рис.7.35.принципиальная схема газотурбинной установки с горением при p = const. 1 – компрессор; 2 – ресивер; 3 – камера сгорания; 4 – сопла турбины; 5 – ротор газовой турбины; 6 – топливный насос; 7 – воздушный клапан; 8 – топливный клапан (форсунка); 9 – клапан перед сопловым аппаратом.

Рис.7.36.Схема действительного цикла ГТД с подводом тепла при p = const.

На рис.7.36 представлена схема действительного цикла таких двигателей, где 1-2 – сжатие воздуха в компрессоре, 2-3 – сгорание при постоянном объёме, 3-4 – расширение газа в турбине, 4-1 – охлаждение продуктов сгорания вне двигателя.

Пульсирующие ВРД.

Термодинамическое исследование циклов поршневых двигателей показало, что подвод тепла при постоянном объёме более рационален, чем при постоянном давлении, т.к. при одинаковой степени сжатия термический КПД в первом случае больше, чем во втором. В пульсирующих ВРД осуществляется подвод тепла при .

Схема пульсирующего ВРД представлена на рис.7.37. Воздух поступает в диффузор Д, затем через клапаны в камеру сгорания КС. В камере сгорания топливо сгорает при постоянном объёме, после чего продукты сгорания выпускаются через сопло С. Действительный цикл пульсирующего ВРД в v-p координатах представлен на рис.7.38.

Рис.7.37. Принципиальная схема пульсирующего ВРД

Рис.7.38. Схема действительного цикла пульсирующего ВРД

Сравнивая рис.7.36 и 7.38, видно. Что, несмотря на существенное конструктивное различие, принципиальная схема циклов этих двигателей однотипна.

Идеальный термодинамический цикл, соответствующий процессам в реактивных двигателях с подводом тепла при постоянном объёме, приведён на рис.7.39, где 1-2 – адиабатное сжатие, 2=3 – подвод тепла при постоянном объёме, 3-4 – адиабатное расширение, 4-1 – отвод тепла при постоянном объёме. В качестве параметров цикла выбираются степень сжатия  и степень повышения давления . Определение температур в характерных точках: Температура в точке 2 определяется из соотношения . Поскольку , то Температура в точке 3 определяется из условия , откуда . Но , поэтому Температура в точке 4 определяется из соотношения . Поскольку

Рис.7.39. Диаграмма v - p идеального цикла пульсирующего ВРД

процесс 4-1 является изобарным, т.е. , а , то

Подставляя в это выражение значения  и , получим , откуда

Определение внешних теплот:

Тепло, подведённое в процессе 2-3, определяется по формуле , Дж/кг. Подставляя в это выражение значения температур  и , получим

Тепло, отведённое в процессе 4-1, определяется по формуле , Дж/кг. Поскольку , то

Определение работы цикла:

Работа цикла определяется из выражения . Подставляя в эту формулу значения  и , получим

Определение термического КПД цикла:

Термический КПД цикла ВРД определяется по общей формуле . Подставляя в эту формулу значения  и , получим

 

Полученная формула ещё раз показывает, что основным фактором, влияющим на экономичность двигателя, является степень сжатия . Кроме того, на величину термического КПД цикла пульсирующего двигателя влияет и величина степени повышения давления , характеризующая количество подведённого в цикле тепла.

При увеличении  термический КПД цикла растёт. Но, т.к. количество подведённого тепла сильно увеличивать (о чём упоминалось ранее), то и  нельзя выбрать произвольно большим. Кроме того, и степень сжатия  у этих двигателей меньше, чем в ТКВРД, т.к. само сжатие осуществляется только во входном диффузоре.