Лекция №9 «Термодинамика рабочего процесса авиационных двигателей»

 

Рабочий процесс и цикл авиационного двигателя

Рабочий цикл авиационного двигателя должен состоять из следующих основных процессов:

- сжатия рабочего тела;

- подвод тепла;

- расширения рабочего тела с совершением механической работы.

Рабочий процесс двигателя характеризуется параметрами, т.е. величинами, показывающими, в какой степени изменяются термодинамические параметры рабочего тела за время протекания цикла. Основными параметрами рабочего процесса являются:

- степень сжатия или степень повышения давления ;

- степень подогрева рабочего тела , где индекс «н» относится к моменту начала цикла, индекс «2» - окончания сжатия, индекс «3» - окончания подвода тепла.

Эффективность экономичность рабочего процесса

Все протекающие в двигателе сложные процессы, представляющие в совокупности рабочий процесс, сопровождаются разнообразными потерями энергии, в результате чего конечный энергетический эффект оказывается значительно меньшим того количества энергии, которое вносится в двигатель с топливом.

Характеристика рабочего процесса на любом уровне идеализации должна включать себе как оценку эффективности, так и оценку экономичности двигателя.

Оценка эффективности двигателя осуществляется путем определения работы, производимой на данном уровне идеализации 1 кг рабочего тела, а оценка экономичности производится с помощью КПД. Различаются два вида КПД: абсолютные, представляющие собой отношение полученной для данного уровня идеализации работы к подведенному теплу, т.е.

,

и относительные, представляющие собой отношение работ, полученных при двух различных, по соседних по номеру уровней идеализации рабочего процесса, т.е.

,

где индекс k обозначает порядковый номер идеализации при условии, что с увеличением номера процесс приближается к реальному рабочему процессу.

Конечной целью термодинамического анализа рабочего процесса авиационного двигателя является получение зависимостей величин, характеризующих эффективность и экономичность двигателя, от величин, характеризующих протекание рабочего процесса.

;

.

Идеальный цикл

Под идеальным циклом понимается замкнутый обратимый цикл, рабочим телом в котором является идеальный газ с постоянной в течение всего цикла теплоемкостью. При этом основные процессы – сжатие, подвод тепла, расширение и отвод тепла протекают по самостоятельным кривым; сжатие и расширение – по адиабатам, а подвод и отвод тепла – по изобарам или изохорам. Сгорание топлива происходит вне цикла, и рабочее тело получает лишь то количество тепла, которое идет непосредственно на повышение параметров рабочего тела.

Тепло подведенное к рабочему телу равно:

,

где - коэффициент выделения тепла, учитывающий потери тепловой энергии на недожог топлива и на внешние потери через стенки двигателя.

Коэффициент полезного действия

для современных авиационных двигателей значение термического КПД лежит в пределах

Действительный цикл

Под действительным циклом понимается кривая изменения параметров рабочего тела в течение рабочего процесса двигателя, причем подвод тепла осуществляется путем сжигания топлива в камере сгорания, а отвод – выбросом отработавших продуктов сгорания в атмосферу.

Общим для идеального и действительного циклов являются степень повышения давления или степень сжатия , максимальная температура и подведенное к рабочему телу тепло .

КПД действительного цикла носит название внутреннего, или индикаторного, Кпд и показывает, какая доля от всего подведенного с топливом тепла преобразуется во внутреннюю работу двигателя.

.

Внутренняя работа отличается от термической работы тем, что:

1) действительные процессы протекают не по идеальным адиабатам, изобарам и изохорам, а необратимым политропы с переменным показателем политропы; 2) химический состав и теплоемкость рабочего тела меняются; 3) внутри газообразного рабочего тела существует трение.

Связь между действительным и идеальным циклом осуществляется с помощью относительного внутреннего КПД :

.

Тепловой двигатель

Под тепловым двигателем понимается устройство, в котором происходит преобразование энергии, заключенной в топливе, в работу цикла, которая передается внешнему потребителю.

Работа цикла в авиационном двигателе может использоваться в двух формах: в виде приращения кинетической энергии газового потока и в виде эффективной работы, переданной через вал внешнему потребителю , т.е.

,

где V – скорость полета; - скорость газового потока при полном его расширении до начального давления на выходе из двигателя.

КПД цикла представляет собой отношение эффективной работы цикла к затраченному в цикле теплу :

,

т.е. показывает, какая часть от внесенной в двигатель с топливом тепловой энергии идет на увеличение кинетической энергии и на совершение внешней эффективной работы, КПД цикла учитывает прежде всего потери энтальпии с уходящими из двигателя газами, во – вторых, потери на неполноту сгорания и потери тепла через стенки корпуса двигателя и, в – третьих, работу, которую приходится затратить на обслуживание самого двигателя (преодоление трения в подшипниках, вращение агрегатов двигателя).

КПД цикла составляет, примерно, . Это означает, что, примерно, внесенного в двигатель тепла теряется в двигателе непроизводительно.

Энергия, необходимая на преодоление гидравлических сопротивлений в реальном тепловом двигателе, берется из полученной в действительном цикле внутренней работы. Таким образом, работы на преодоление гидравлических сопротивлений выступает в энергетическом балансе как бы дважды: во- первых, в виде тепла трения участвует в деформации идеального цикла и превращении его в действительный и, во – вторых, уменьшает количество внутренней работы, которая может быть передана внешнему потребителю, т.е. уменьшает работу цикла.

Цикл работы равно

Величину определить с помощью механического КПД:

,

тогда КПД цикла может быть выражен следующим образом:

.

Реальный авиационный двигатель

Рабочий процесс авиационного двигателя – это рассмотрение АД как устройства, предназначенного для создания силы тяги Р, необходимой для осуществления полета летательного аппарата.

Сила тяги – это равнодействующая всех сил, действующих на внешние и внутренние поверхности двигателя, передаваемая через узлы крепления планеру самолета.

Внешнее проявление действия силы тяги состоит в ускорении газового потока в относительном относительно двигателя движении. Этот поток либо обтекает двигатель снаружи, либо протекает внутри двигателя.

Ускорение внешнего потока осуществляется с помощью специального движителя – воздушного винта. Так создается сила тяги авиационными поршневыми двигателями (ПД) и турбовинтовыми двигателями (ТВД).

Если ускоряется газовой поток, протекающий внутри двигателя, то двигатель одновременно является и движителем. К этому типу относятся турбореактивные (ТРД) и ракетные (РД) двигатели.

Также существуют двигатели, у которых поток ускоряется как вне, так и внутри, например, двухконтурные (ДТРД).

Сила тяга авиационного двигателя на расчетном режиме его работы определяется по формуле

,

где - скорость истечения газа в выходном сечении движителя.

Для характеристики эффективности рабочего процесса служит удельная тяга, т.е. тяга, отнесенная к 1 кг рабочего тела, протекающего через движитель:

,

а также выполняемая ею полезная работа, которая называется тяговой работой:

.

Экономичность авиационного двигателя характеризуется полным КПД, которой представляет собой отношение тяговой работы к введенному в двигатель с топливом теплу :

КПД у современных двигателей в полете .

КПД, который характеризует АД как движитель, носит название тяговой КПД. Этот КПД представляет собой отношение тяговой работы к работе цикла :

,

т.е. показывает, какая часть от полученной работы цикла идет на создание полезной работы.

Тяговый КПД во многом зависит от способа создания тяги, т.е. от двигателя. При скорости полета тяговой КПД , а тяга имеет максимальное значение. С ростом скорости полета растет и тяговые КПД, при этом падает тяга, становясь равной нулю в том случае, когда скорость истечения оказывается равной скорости полета.

Полный КПД двигателя равно

,

или