Файл: Термодинамические основы теории тепловых машин учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.10.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 0
Сжатие газа в компрессоре
Анализ процесса сжатия проведем по диаграммам р—ѵ и Т—S (рис. 76,а, б). Идеальным процессом неохлаждаемого компрессо
ра считается адиабатическое сжатие 1—2 ад от начального давле ния р I до конечного р%
Удельную работу компрессора (затрачиваемую на сжатие 1 кг воздуха от давления р\ до давления рг) определим по уравнению сохранения энергии. Полагая процесс сжатия адиабатическим, получим
wj |
WI |
(190) |
(*2.. - *і) + |
|
|
|
|
191
или
/ад
*к
где /ад
К
іѵ *
— удельная адиабатическая работа компрессора;
— массовая энтальпия заторможенного потока в нача-
ле и конце адиабатического сжатия.
Рг
Рйс. 76
Первый член в уравнении (190) |
представляет собой удельную |
|||
работу адиабатического сжатия /” |
= (/' |
|
—г,). |
Для ее опре- |
сж |
-^ад |
|
(см. рис. 76, б). |
|
деления можно воспользоваться диаграммой і—5 |
||||
W \ — W j |
|
затраченной на увеличе |
||
Член ----- 2------1 соответствует работе, |
||||
ние кинетической энергии воздуха. При этом под W \ понимается скорость воздуха на входе в компрессор, а под w2,— скорость его на выходе из диффузора. Если торможение потока в диффузоре происходит до скорости, равной скорости воздуха на входе в ком прессор, то работа, затраченная на привод компрессора, будет рав на работе адиабатического сжатия
= |
(190') |
Действительный процесс сжатия сопровождается потерями, основными из которых являются потери на преодоление гидравли ческих сопротивлений. Работа, затрачиваемая на преодоление этих сопротивлений, необратимо переходит в тепло, и энтропия газа увеличивается (S2> S i). Поэтому температура газа в дейстзитель-
192
ном процессе сжатия будет выше, чем при адиабатическом сжатии до того же давления (Га > Г2. ).
Степень приближения действительного процесса сжатия к адиа батическому характеризуется адиабатическим к. п. д., равным отно
шению адиабатического теплоперепада |
|
(і > — і\) |
к действительно |
|||||||
му (h — h) |
4>д |
С |
£I |
|
Т‘2 |
— 7, |
|
|||
у,ад _ |
.— , |
|
||||||||
|
_ |
^ а л |
1 |
|
д ад |
|
1 |
(191) |
||
|
/к ' іг - г, ~ |
Т2 |
|
Г, |
||||||
|
|
|
||||||||
В приближенном |
равенстве |
предполагается равенство средних |
||||||||
теплоемкостей ср |
Г гад |
|
г2 |
|
|
|
|
|
|
|
| |
— ср | . |
|
|
|
|
|
|
|||
|
т, |
|
7, |
|
|
|
|
|
|
|
В выполненных конструкциях компрессоров^ |
0,72 — 0,78 для |
|||||||||
центробежных и |
=s |
0,84-—0,90 для осевых. |
|
|||||||
Действительная работа компрессора определится по действи |
||||||||||
тельному теплоперепаду, т. е. /к = |
г2— гф |
|
||||||||
В соответствии |
с уравнениями |
(191) |
и (190') |
|
||||||
|
|
|
|
/ад = |
/ |
-лад |
’ |
|
|
|
ИЛИ |
|
|
/®д |
К |
1 |
к |
*к |
|
|
|
|
~ |
|
|
|
(*2ад |
г'і)‘ |
(192) |
|||
|
|
^ад ' — ~Гад- |
||||||||
Удельная действительная работа сжатия в координатах р—ѵ эквивалентна площади с—d—7—2—с, ограниченной линией 7—2 условного политропического процесса с показателем п, осью орди нат и двумя изобарами рі и ра. Для уменьшения работы сжатия в компрессоре применяют охлаждение сжимаемого газа. Наиболее
интенсивному охлаждению соответствует изотермическое |
сжатие. |
||
Сопоставление |
действительного, |
адиабатического |
и изо |
термического сжатия показано на диаграммах р—о и і—5 (см.
рис. |
76). |
сжатия на диаграмме р—ѵ определяются площадями: |
Работы |
||
при |
действительном сжатии F і_2-с—_і, при адиабатическом — |
|
F\~2 3A-c-d-i, |
а при изотермическом —Л - 2из- с-<і- і. |
|
Выигрыш в работе компрессора при изотермическом сжатии по сравнению с адиабатическим соответствует площади Z7]_2ИЗ_2ад_1.
Уменьшение работы сжатия при охлаждении газа объясняется тем, что при этом уменьшается объем газа, а следовательно, и работа компрессора. Вместе с тем охлаждение газа при сжатии вызы вает уменьшение конечной температуры по сравнению с температу рой при сжатии без охлаждения и ведет к понижению энергии газа, что в некоторых случаях имеет отрицательный эффект. Например, в газотурбинных двигателях без регенерации снижение температу ры воздуха за компрессором ведет к повышенному расходу топлива на нагревание воздуха перед турбиной до заданной температуры.
13—1207 193
Турбины
Втурбине осуществляется преобразование потенциальной энер гии рабочего тела, подведенной извне, в механическую работу вра щения ротора турбины.
Взависимости от направления газового потока различают два типа турбин: осевые и радиальные.
Восевых турбинах направление потока параллельно оси турби ны; в радиальных — перпендикулярно к оси турбины или близко к этому направлению.
Наибольшее распространение в настоящее время получили осе вые турбины. Принципиальная схема такой турбины показана на рис. 77.
194
Основными элементами турбины являются: неподвижный на правляющий (или сопловой) аппарат 1, установленный в корпусе 2 турбины, рабочее колесо 3, закрепленное на валу и имеющее рабо чие лопатки 4. Вращающиеся части турбины образуют ротор.
Преобразование потенциальной энергии в механическую проис ходит в два этапа. Первый этап — преобразование потенциальной энергии давления газа в кинетическую происходит полностью или частично в сопловом аппарате. Второй этап — преобразование полу ченной кинетической энергии в работу на валу турбины происхо дит с помощью рабочих лопаток.
Расширение газа в турбине
Рабочий процесс в турбине, схема которой представлена на рис. 76, рассмотрим по диаграмме Т—S (рис. 78).
L
Р и с . 7 8
S
:1 Iх |
195 |
|
Исходное состояние газа |
(точка 0) на входе в турбину характе |
|
ризуется параметрами |
J ѵ0 и wa |
Точка 0 * характеризует |
полную энергию газового потока по заторможенным параметрам. В неподвижном сопловом аппарате происходит расширение газа и соответствующее увеличение его скорости. Для адиабатического течения этот процесс изображается отрезком 0—Г, параллельным оси ординат и ограниченным изобарами ро и р\. Давления р0 и р\ соответствуют статическим давлениям перед сопловым аппаратом и за ним.
Действительный процесс расширения сопровождается потерями энергии на преодоление гидравлических сопротивлений, связанных в основном с вязкостью газа. Эти потери преобразуются в тепло и вызывают повышение действительной температуры газа 7\ в кон це расширения по сравнению с адиабатической Т ѵ.
В рабочем колесе в общем случае происходит дальнейшее рас ширение газа и совершается механическая работа. Если течение газа в каналах рабочего колеса адиабатическое, то процесс расши рения изображается отрезком Г—2' (или отрезком 1—2" для слу чая действительного течения газа в каналах соплового аппарата). При наличии необратимых потерь энергии при течении газа в кана лах рабочего колеса процесс расширения изобразится линией 1—2. При этом температура Т2 газа в конце действительного расшире ния будет выше, чем в конце адиабатического 7V (или 7>). Состоя ние газа на выходе из турбины характеризуется точкой 2 или точ ками 2' и 2" при адиабатическом расширении. Точкой 2 * отмечено состояние газа на выходе из турбины по заторможенным пара метрам.
Оценка качества проточной части турбины с точки зрения гид равлических потерь энергии осуществляется путем сравнения дей ствительного процесса расширения с некоторым идеальным. Для неохлаждаемой турбины за идеальный процесс расширения прини мается адиабатический процесс расширения 0—2' от начального со стояния газй до конечного давления ра.
Работа при адиабатическом расширении определяется на осно вании уравнения сохранения энергии (168). Пренебрегая измене нием кинетической энергии при расширении, получим
l? = ( h - i r ) = cp {Ta- T r ) . |
(193). |
Так как с’р
Имея в виду, что —- |
, получим. |
То |
Р а J |
196
k~\
k 1 |
R T 0 |
/V |
k |
k — 1 |
RT0 |
fe-i |
(194) |
/V |
|
||||||
|
|
|
r ^ |
|
|||
В приведенных уравнениях: |
|
|
|
|
|||
P< |
степень понижения давления в турбине; |
|
|||||
Рг |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Т0; Ті— энтальпии и температуры в потоке в соответ |
|||||||
|
ствующих |
сечениях проточной части турбины. |
|||||
Степень приближения действительного процесса расширения к адиабатическому характеризуется адиабатическим к. п. д., равным
отношению действительного |
теплоперепада |
(іо— і2) к адиабати |
||
ческому (і0— /Ѵ)> |
|
|
|
|
„ял |
*2 . |
Тп |
(195) |
|
I |
ІО I')' |
тл |
||
Гт |
||||
|
|
|
7". 7У |
|
Приближенное равенство справедливо в предположении ср 1 = ^ 1
То т„
Действительная работа расширения в турбине определяется по действительному теплоперепаду. Учитывая уравнения (194) и
(195), получим |
|
|
|
|
/т - ^.Чад |
k |
R T 0 |
fc-1 |
(196) |
|
- \ |
т Ä |
|
|
|
|
|
|
§ 2. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Газотурбинным называется тепловой двигатель внутреннего сго рания, в котором потенциальная энергия рабочего тела преобразу ется в механическую работу в газовой турбине.
Основными элементами газотурбинного двигателя (ГТД) явля ются компрессор, камера сгорания и турбина. Более сложные схемы ГТД включают теплообменники, камеры дожигания и т. д.
Газотурбинные двигатели находят применение в авиации, судо вых установках, на железнодорожном транспорте и являются пер спективными для других видов наземного транспорта. Основными достоинствами ГТД являются малые габариты и вес и хорошие пус ковые качества в любых климатических условиях.
По способу сжигания топлива газотурбинные двигатели делят ся на два основных типа: со сгоранием при постоянном давле нии (р =* const) и со сгоранием при постоянном объеме (Vfc^const).
Практическое распространение получили ГТД со сгоранием при р =з consit, как более простые и надежные.
197