Оптимизация обратимых ТД-циклов

    Постановка задачи оптимизации циклов обусловлена известным положением термодинамики: термический КПД любого обратимого цикла меньше термического КПД цикла Карно, осуществляемого между заданными предельными температурами. Из всех возможных вариантов циклов максимальный КПД имеет, следовательно, тот вариант, процессы которого ближе к процессам цикла Карно. Таким образом, в качестве эталона ТД-совершенства циклов может быть принят цикл Карно.

    Под оптимизацией обратимого ТД-цикла понимают отыскание такого варианта организации цикла, при котором его КПД максимально приблизится к КПД обратимого цикла Карно.

    1. Термический КПД обратимого ТД-цикла с переменной температурой в процессах подвода и отвода теплоты равен термическому КПД эквивалентного цикла Карно с предельными температурами Т_1СИ и Т_2СИ: 

ξ t = 1 – T _{2СИ /} Т_1СИ

           2. При р _MAX = idem и q ₁ = idem наибольший КПД имеет обратимый ТД-цикл комби-Д с изобарным подводом теплоты, а наименьший – цикл с изохорным подводом теплоты.

    3. В обратимом ТД-цикле комби-Д. с импульсной турбиной работа при одинаковых ограничениях больше, а термический КПД выше, чем в цикле с турбиной постоянного давления (рис.13).

    4. Среднее давление цикла двигателя с охладителем после компрессора существенно больше, чем цикла двигателя без охлаждения, и следовательно, при одинаковой мощности габаритные размеры и масса двигателя могут быть уменьшены.

    5. Термический КПД обратимого цикла двигателя с охлаждением после компрессора меньше КПД цикла двигателя без охлаждения. Объясняется это тем, что средняя температура в процессе подвода теплоты в цикле двигателя с охлаждением ниже.

    Анализ обратимых ТД-циклов комби-Д. позволяет заключить, что цикл с изобарным подводом теплоты без охлаждения после компрессора имеет наибольший КПД при характерных условиях сравнения: одинаковой величине максимального давления цикла и равном количестве подведенной теплоты.

11. Характеристики авиационных поршневых двигателей

  Для определения летных параметров самолета с данным двигателем необходимо знать зависимость мощности двигателя и удельного расхода топлива от оборотов двигателя, нагрузки на валу и высоты полета. Характеристики обычно представляются в форме графиков, в которых по оси ординат откладывается значение эффективной мощности, удельного расхода топлива и давления наддува, а по оси абсцисс – число оборотов или высота полета. Характеристики двигателя могут быть получены расчетным путем или по результатам испытания двигателя на стенде, основными из них являются внешняя, дроссельная и высотная характеристики.

 Внешняя характеристика

  Внешней характеристикой называется зависимость эффективной мощности и удельного расхода топлива от числа оборотов при максимальном давлении наддува. При работе двигателя по внешней характеристике состав смеси на всех оборотах остается постоянным, соответствующим максимальному значению мощности. Следовательно, внешней характеристикой определяются наибольшие мощности, которые может развить двигатель при данных оборотах коленчатого вала.

   Снятие внешней характеристики производится на испытательном стенде. Изменение числа оборотов производится при этом путем изменения нагрузки на валу двигателя винтом изменяемого шага (ВИШ) или специальным воздушным (или гидравлическим) тормозом.

  На рис.2 представлена типичная внешняя характеристика двигателя. С увеличением числа оборотов эффективная мощность двигателя сначала возрастает, при некоторых оборотах достигает максимального значения, а затем начинает падать, так как с увеличением оборотов рост мощности трения (N тр = A. n ²) опережает рост индикаторной мощности. Удельный расход топлива с_е с увеличением числа оборотов непрерывно увеличивается в связи с уменьшением механического КПД (с_е = с _i /ξ _m), индикаторный же расход топлива с _i остается постоянным.

  Винтовая (дроссельная) характеристика

  Винтовой (дроссельной) характеристикой двигателя называется зависимость эффективной мощности и удельного эффективного расхода топлива от оборотов при постоянной нагрузке на валу двигателя.

  Мощность, необходимая для вращения винта, выражается формулой N _в = A. n _в ³, где А – коэффициент, зависящий от диаметра винта и угла установки его лопастей.

  На рис.3 представлена типичная винтовая характеристика двигателя. Пунктиром показана также внешняя характеристика. Винтовая характеристика представляет собой кубическую параболу, т.е мощность двигателя очень сильно изменяется при изменении числа оборотов (при уменьшении числа оборотов вдвое мощность двигателя изменяется в 8 раз). При одних и тех же оборотах мощность двигателя по винтовой характеристике меньше мощности по внешней характеристике вследствие различной степени открытия дроссельной заслонки.

 Удельный расход топлива по дроссельной характеристике с увеличением оборотов уменьшается и при некотором значении числа оборотов достигает минимальной величины, затем вновь увеличивается. Такой характер изменения удельного расхода топлива обеспечивается соответствующей регулировкой карбюратора или аппаратуры непосредственного впрыска. Минимальный расход топлива соответствует оборотам крейсерского режима полета, требующим максимальной экономичности для увеличения дальности и продолжительности полета при данном запасе горючего.

  В настоящее время распространение имеют винты изменяемого в полете шага (ВИШ). Их преимущество перед винтами фиксированного шага заключается в том, что они позволяют в любых условиях полета подбирать такое сочетание мощности и оборотов, при котором обеспечивается наибольшая экономичность двигателя и высокий КПД воздушного винта. Благодаря этому обеспечивается также наибольшая тяга винта на взлете.

  Высотные характеристики

  Высотной характеристикой двигателя без наддува называется зависимость его эффективной мощности и удельного расхода топлива от высоты полета при постоянных оборотах и неизменном качестве смеси.

  Двигатели без нагнетателя называют невысотными. У таких двигателей падение мощности с подъемом на высоту очень велико (на высоте 5000 м мощность в 2 раза меньше, чем на земле при тех же оборотах). Мощность, развиваемая двигателем на высоте при постоянных оборотах и постоянном коэффициенте избытка воздуха α:

N_eH = A. N_{e 0},

где N_eH – мощность двигателя на высоте;

  N_{e 0} – мощность двигателя у земли по внешней характеристике;

A – коэффициент падения мощности двигателя при подъеме на высоту. Коэффициент А зависит от температуры и давления окружающего воздуха.

  На рис. 5 показана высотная характеристика двигателя без нагнетателя.

  Высотными называются двигатели, которые сохраняют мощность до некоторой высоты, называемой расчетной. Для поддержания мощности двигателя по высоте наибольшее распространение получил центробежный нагнетатель.

  Высотной характеристикой двигателя с нагнетателем называется зависимость его эффективной мощности и удельного расхода топлива от высоты при постоянных оборотах, составе смеси и давлении наддува до расчетной высоты.

  На рис.6 показана высотная характеристика двигателя с нагнетателем. Из характеристики видно, что эффективная мощность до расчетной высоты увеличивается., а удельный расход топлива падает. Увеличение эффективной мощности до расчетной высоты при постоянном давлении наддува объясняется следующими причинами:

1) увеличением заряда цилиндра свежей смесью при понижении температуры наружного воздуха и повышении плотности воздуха на выходе из нагнетателя;

2) уменьшением атмосферного давления, а следовательно, и противодавления выхлопу, что способствует лучшей очистке цилиндров от остаточных газов, а также снижению работы насосных ходов тактах выхлопа.