Аналіз циклу ГТД з підведенням теплоти по ізобарі

В літературі цей цикл носить назву циклу Брайтона.

При аналізі циклів ГТД приймаються ті самі припущення (ідеалізація) що і при аналізі ДВЗ. (1. РТ – ідеальний газ. 2. Цикл здійснюється при незмінній кількості РТ в циліндрі. 3. Процеси згоряння палива та викидання продуктів згоряння замінюється процесами підведення та відведення теплоти від повітря відповідно. 4. Процеси стиску і розширення приймається адіабатним. 5. Теплоємність робочого тіла та показник адіабати не залежить від температури.)

Ознайомимося з схемою газотурбінної машини основним органом якої є газова турбіна. ГТД ще називають двигунами зовнішнього згорання. Чому? Якщо в ДВЗ в робочому органі – циліндрі відбувається і згорання палива і перетворення отриманої теплоти в роботу то в ГТД спалювання і перетворення теплоти в роботу відбувається в різних частинах машини: спалювання – в камері згорання, а перетворення теплової енергії в механічну відбувається на лопатках турбіни. Тому це двигун зовнішнього згорання. Потужні стаціонарні ГТМ мають камери згорання які встановлюються біля турбіни на окремому фундаменті. Авіаційні двигуни більш компактні –мають кільцеву камеру згорання безпосередньо біля турбіни. На одному валу з турбіною встановлюється компресор як правило або відцентровий або осьовий. Осьові компресори багатоступеневі в залежності від кількості робочих коліс. Паливний насос подає паливо в камеру згорання. В камері згорання розміщена форсунка і процес згорання відбувається неперервно. Продукти згорання попадають в сопло і дальше на лопатки турбіни виконуючи технічну роботу. Турбіна обертається, приводячи в рух і компресор і паливний насос а залишкова корисна потужність споживається якимось агрегатом (відцентровий нагнітач). Це типова схема газотурбінної машини з підведенням теплоти при сталому тиску. Наведу процеси даного циклу в робочій та тепловій діаграмах стану.

1-2 процес адіабатного стиснення РТ в компресорі (реально стискується чисте повітря - компресор осьовий тому тиск піднімається на незначну величину); Стиснуте повітря поступає в камеру згорання куди паливним насосом подається паливо утворена суміш початково запалюється свічкою запалення і дальше вона горить неперервно. Повітря з компресора поділяється на два потоки - один поступає в камеру згорання для забезпечення згорання палива. Продукти згорання що утворюються, мають температуру 2000-2200 ^оС і якщо їх подати на лопатки турбіни то і лопатки і сопла просто згорять. Тому друга частина повітря на виході з КЗ змішується з продуктами згорання зменшуючи температуру до допустимих значень. Отже 2-3 процес згорання палива в камері згорання яке відбувається при сталому тиску. Тут до РТ підводиться певна кількість теплоти. Дальше іде процес розширення РТ на лопатках турбіни 3-4 – в цьому процесі виконується технічна робота. 2-3 це попереднє розширення, а 3-4 основне розширення коли отримується та сама корисна потужність. Дальше ПЗ викидаються в атмосферу, а тиск довкілля є незмінним тому і приймається що проходить ізобарне відведення теплоти в циклі. В цьому циклі підведення і відведення теплоти ізобарні. Та адіабатні процеси 1-2 та 3-4.

Знайдемо ККД циклу Брайтона. Тут ситуація не складна, як і завжди. Зауважимо що при розгляді ГТД також використовуються характеристики - міра стискування; - міра підвищення тиску в адіабатному процесі; - міра попереднього розширення.

Отже треба знайти підведену і відведені теплоти.

Розглядаємо процес ізобарного підведення теплоти. Теплоємність ізобарна і не залежить від температури тоді .

Тепер процес ізобарного відведення теплоти 4-1. .

Підставляємо отримані рівняння в формулу ККД (теплоємність скоротилася і виношу температури за дужки). Якщо розглядати адіабатні процеси то для них де нагадую . Аналогічно для адіабатного розширення оскільки праві частини рівні то ви можете переконатися що , і тоді дужки в рівнянні ККД можна скоротити і тоді отримаємо . Для того щоб збільшити ККД треба збільшити різницю температур на вході і виході з осьового компресора, а отже його міру стискування в компресорі. Але якщо збільшувати міру стискування то це призведе що збільшиться затрачена на стискування потужність турбіни, і також збільшиться сам компресор, вартість його виготовлення. Тому тут необхідно шукати якусь оптимальну величину, а в якості критерію оптимальності можна взяти наприклад термічний ККД. Можна поставити за критерій економічність щоб одиниця отриманої потужності була найменша. Можна зменшувати температуру довкілля (що нереально).

В якості висновку можна сказати що на сьогодні це є найбільш поширений цикл газотурбінних двигунів.

8.3 Аналіз циклу ГТД з підведенням теплоти по ізохорі (цикл Хемфрі)

Машина, яка працює за цим циклом відрізняється від попередньої тим що камера згорання палива тут має клапани, а процес згорання не є неперервним а періодичним. Принцип тут такий: турбіна обертається, приводить в рух компресор, компресор захоплює навколишнє повітря, стискає його і подає в камеру згорання. Подача в КЗ за умови що вхідний клапан відкритий. Потім закривається вхідний клапан, паливний насос через форсунку подає в КЗ паливо, паливо змішується з повітрям, утворюється паливна суміш, яка запалюється за допомогою свічки. Згоряння палива відбувається при закритих клапанах тобто при сталому об’ємі КЗ. Температура і тиск при цьому стрімко зростають. Відкривається випускний клапан випускаючи ПЗ на сопла і на лопатки турбіни. Відбувається розширення РТ на лопатках турбіни і виконується технічна робота. Процес такий же як і для попереднього циклу з єдиною відмінністю що він є періодичним. Дальше знову продувається КЗ, закривається випускний клапан, заповнюється повітрям КЗ і цикл повторюється. Якщо визначити термічний ККД цього циклу то від буде дійсно більшим, але проблема в тому що клапани КЗ працюють в умовах дуже високих температур і з часом вигорають, порушується робота турбіни в цілому. Тому на даний час дані турбіни не випускаються. Але безумовно це перспективний цикл тому що він дозволяє отримати більш високий ККД в порівнянні з циклом Брайтона. Коефіцієнт корисної дії буде .

Дата добавления: 2014-01-05