книги / Техническая термодинамика и теплопередача

С другой стороны, работа компрессора есть техническая работа /0, совершаемая над рабочим телом:

ЧPi У Pi

Работа / к зависит от характера процесса сжатия. В общем случае процесс сжатия в компрессоре является политропным, и работу l t можно найти из выражения (4.5) после подстанов­ ки в него v= v](p]/p)'ln, интегрирования и преобразований:

Если происходит изотермическое сжатие, то из выраже­ ния (4.5) при п = 1 :

'к = ] p d v = I е— = Pivi $’ = м ч * =

= р|у,1гД = р,у)1гА.

VI Рг

На рис. 32 показаны изотермический (линия 1-2), адиабат­ ный (линия 1-2’) и политропный при п > к (линия 1-2” ) про­

цессы сжатия в поршневом компрессоре. На рисунке видно, что минимальную техническую работу для сжатия газа от дав­ ления р1 до давления р2 требуется затратить в изотермичес­

ком процессе. Но при этом, в соответствии с первым законом термодинамики, от сжимаемого газа должна отводиться теп­ лота, эквивалентная затрачиваемой работе.

2 в 2’ 2м 1 - 2 - изотермический

1-2' — адиабатический

1-2"-политропный

Рис. 32. Процессы сжатия в поршневом компрессоре

Приближение процесса сжатия в компрессоре к изотер­ мическому имеет не только термодинамическое, но и эксплуа­ тационное значение. При сжатии по адиабате или политропе в конце сжатия повышается температура газа, что может выз­ вать возгорание смазки и соответствующие неполадки. Поэтому

компрессор, как правило, имеет систему охлаждения (охлаж­ дающие ребра, водяная рубашка и др.).

Стремление приблизить процесс сжатия к изотермическо­ му привело к созданию многоступенчатых компрессоров (рис. 33). Сжатие газа в них осуществляется последовательно в несколько ступеней и с промежуточным изобарным охлаж­ дением его после каждой ступени до начальной температуры.

Вэтом случае в целом процесс сжатия (линия 1-a-b-c-d-e)

сувеличением числа ступеней все больше приближаетя к изо­ термическому 1-2.

4.4. Циклы реактивных двигателей

Яинтересовался более всего тем, что могло бы прекратить страдания человечества, дать ему могущество, богатство, знание и здоровье.

К.Э.Циолковский

Реактивный двигатель (РД) также является одним из видов теплового двигателя. РД могут развивать очень большие мощ­ ности при сравнительно малой собственной массе и сравни­ тельно простой конструкции.

Превращение теплоты в работу осуществляется следую­ щим образом: рабочее тело (газ) получают в камере сгорания путем сжигания топлива; газ пропускают через сопло, где про­ исходит его расширение и разгон, при этом теплота перехо­ дит в кинетическую энергию потока газа. В результате истече­ ния газа создается тяга и совершается работа на перемещение летательного аппарата.

Сила тяги Р = G w^

где 6 - массовый секундный расход продуктов сгорания; и^зфэффективная скорость истечения.

Реактивные двигатели делятся на две группы.

К первой относятся двигатели, в которых в качестве окис­ лителя используется кислород атмосферного воздуха. Поэто­ му такие двигатели, называемые воздушно-реактивными (ВРД), используются в авиации. ВРД, в свою очередь, подразделяют­ ся на компрессорные (турбореактивные) и бескомпрессорные (прямоточные и пульсирующие (ПВРД))

Ко второй группе относятся все реактивные двигатели, для работы которых необходим окислитель, находящийся на борту летательного аппарата. Такие двигатели устанавливают в ос­ новном на ракетах, и поэтому они получили название ракетных. Ракетные двигатели подразделяются на жидкостные и твердо­ топливные.

Реактивный двигатель

Когда вес созданной в процессе разработки

самолета технической документации станет равным весу самолета, самолет взлетит.

Закон практической аэронавтики по Дугласу

ПВРД (рис. 34) обычно устанавливаются на летательные аппараты.

продукты

горения

Процессы в ПВРД про­ текают в следующей после­ довательности (рис. 35):

1- 2 - процесс адиаба­

тического сжатия набегаю­ щего потока воздуха в диф­ фузоре;

2- 3 - процесс подвода

теплоты при сгорании топ­ лива;

3- 4 - процесс адиаба­

тического расширения про­ дуктов сгорания в сопле;

4-1 - изобарическое охлаждение удаленных в атмосферу

продуктов сгорания до температуры окружающей среды. При полете с большой скоростью встречный поток,

набегающий на двигатель, тормозится, в результате чего уменьшается скорость воздуха и повышается его давле­ ние. Это торможение начинается до входа в двигатель и продолжается во входном устройстве — диффузоре. При дозвуковых скоростях полета торможение воздуш­ ной струи сопровождается увеличением ее площади се­ чения. В этом случае входное устройство выполняется в виде расширяющегося канала. Сжатый во входном диффузоре воздух поступает в камеру сгорания, в кото­ рую через ряд форсунок впрыскивают топливо.

Воспламенение горючей смеси осуществляется элек­ трической искрой. Температура на выходе из камеры сгорания может достигать 20 0 0 'С и более. У прямоточ­ ных ВРД давление в процессе сгорания меняется незна­ чительно, поэтому их принято относить к типу двигате­ лей, использующих цикл с подводом топлива при Р = const.

При полетах со скоростями 900-1000 км/час степень сжатия воздуха в диффузоре очень невысокая и rj = 3 -4 %.

ВРД, в котором сгорание топлива происходит при v = const,

называют пульсирующим. Этот тип ВРД отличается наличием распределительного клапанного устройства, при помощи которого можно в требуемый момент разоб­ щить камеру сгорания и диффузор.

В остальном схема работы ВРД со сгоранием топлива при v = const

аналогична схеме двигателя со сгоранием топлива при Р = const.

На р и с .36 изображен цикл пульсирующего ВРД с подводом тепла при v = const:

1- 2 —сжатие воздуха в диффузоре (адиабатическое); 2- 3 — изохорический подвод тепла к рабочему телу при

сгорании топлива.

3- 4 — процесс расширения (адиабатический) в сопле;

4- 1 — выброс в атмосферу продуктов сгорания.

В состоянии, изображаемом точкой 2, камера сгорания ра­ зобщается с диффузором путем закрытия клапана, и топливо воспламеняется (при помощи электросвечи).

Цикл пульсирующего ВРД с подводом теплоты при v = const

не отличается от цикла газотурбинной установки с изохорическим сгоранием топлива, поэтому его термический КПД:

где р = Р2/Р , - степень увеличения давления; А. = Р3/Р 2— степень добавочного увеличения давления.

Процесс подвода тепло-

расходуется в двух направлеРис. 38. Цикл турбореактивного

ной силы путем перевода теплоты в кинетическую энергию по­ тока для расширения в сопле Sk.

Термический КПД определяется формулой:

1

= 1- р(ММ '

где р = p2/Pi — степень увеличения давления.

в России аэродинамическую трубу с открытой рабочей частью, доказал необходимость систематического эксперимента для определения сил воздействия воздушного потока на движущееся в нем тело. Создал (1927) теорию поезда на воздушной подушке. В ракетодинамике со­ здал (1896,1911,1914) строгую математическую теорию движения од­ ноступенчатых и многоступенчатых ракет с жидкостными реактивными двигателями. В теоретической космонавтике исследовал прямолиней­ ные движения ракет в ньютонианском гравитационном поле. Приложил законы небесной механики к определению возможности реализации полетов в Солнечной системе, исследовал механику и физику полета в условиях невесомости и возможность жизнеспособности экипажа во время полета. Определил оптимальные траектории полета при спуске на Землю. Написал ряд научно-фантастических произведений. Работал также в области философии, биологии, лингвистики.

АН СССР учредила в 1954 г. Золотую медаль им. К.Э. Циолковского.

ЖРД - такой двигатель, в котором сила тяги возникает при истечении из сопла продуктов сгорания жидкого топлива (рис. 39).

гор. НГ

1

0КИСЛ.>т— ,

НО

Рис. 39. Схема жидкостного ракетного двигателя: НО - насос окислителя: НГ - насос горючего;

гор. - горючее; окисл. - окислитель; КС - камера сгорания

Цикл ЖРД (рис. 40). Линия 1-2 соответствует процессу

сжатия (нагнетания) жидких компонентов. Ввиду малого объе­ ма жидкости по сравнению с объемом продуктов сгорания и малой сжимаемости жидко­ сти нагнетания, его можно считать изохорным процес­ сом, совпадающим на гра­

фике с осью ординат. Линия 2-3 представляет

собой процесс подвода теплоты (сгорания топлива) при Р = const.

Линия 3-4 - процесс

расширения продуктов сго­ рания в сопле.

4-1 - охлаждение газообразных продуктов сгорания в ат­

мосфере.

Располагаемая кинетическая энергия (т.е. удельная по­ лезная внешняя работа /') равна разности работы адиа­ батического расширения газообразных продуктов сгорания ^ 4 = /)j - f y и работы 1'и, затрачиваемой на привод насосов;

горючее и жидкий окислитель практически несжимаемы, по­ этом у/^ (р2—pi)vt, причем вследствие того, что процесс в на­ сосе можно считать адиабатическим

( ft - A ) V , = /* - /) , .

Следовательно, /' =/% - h 4 - ( f t -р,)^.Подведенная в цик­ ле теплота qv равная теплоте сгорания топлива при р2= р 3, составляет (ft -/> 3 - 1 \ = l\ - /ft - ( f t - f t ) v v

Соответственно этому термический КПД:

Ели пренебречь затрачиваемой на привод насосов рабо­ той (что вполне допустимо вследствие малого удельного объе­ ма жидкости), то КПД:

Контрольные вопросы.

1.Приведите и объясните индикаторную диаграмму рабоче­ го процесса четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

2.Опишите принципиальную схему ГТУ и изобразите ее цикл. Чем принципиально отличается ГТУ от ДВС?

3.Приведите классификацию ракетных двигателей.

4.Приведите термические КПД циклов Отто, Дизеля, Тринклера. Ответ проиллюстрируйте изображением циклов в pv- и

TS-диаграммах.

5. Опишите принципиальную схему ЖРД и изобразите его цикл. Чему равен термический КПД цикла?

6 . Опишите принципиальную схему компрессорного дизе­ ля и цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном давлении.

7. Приведите схему и цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме.