ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Тема 7. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу происходят внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (г. т. у.) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате — паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу — в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом.

Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения — жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теорети­ческими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, а затем реальный (необратимый) с учетом основных источников необратимости.

7.1.Классификация и принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания

Двигателями внутреннего сгорания (д. в. с.) называются тепловые двигатели поршневого типа, в которых сгорание топлива (подвод теплоты) и превращение теплоты продуктов сгорания в работу происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра.

Д. в. с. устанавливают на автомобилях всех типов, тракторах, танках, мотоциклах, морских и речных судах, небольших самолётах, передвижных электростанциях и небольших стационарных электростанциях.

Д. в. с. классифицируют по следующим признакам:

1) по числу ходов (тактов), за которое совершается один рабочий цикл (четырёх тактные и двухтактные);

2) по месту и способу смесеобразования (с внешним смесеобразованием, карбюраторные, и с внутренним - дизельные);

3) по способу воспламенения топлива (с принудительным воспламенением, искровые-карбюраторные, и с самовоспламенением, дизельные);

4) по виду горючего. С жидким горючим: лёгким, – бензиновые карбюраторные, - тяжелым, - дизельные; с газообразным горючим: газовые;

5) по числу и расположению цилиндров подразделяются на одно-, двух- и многоцилиндровые; однорядные, двухрядные, V- и W-образные, оппозитные.

На рис. 7.1 изображены схема устройства так называемого четырехтактного д. в. с. и диаграмма его рабочего процесса в рv-координатах. Четырехтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на четыре хода поршня, т. е. на два оборота вала. Цилиндр двигателя 1 снабжен двумя клапанами — впускным 2 и выхлопным 4. Открытие и закрытие клапанов осуществ­ляется специальным газораспределительным механизмом (на схеме не показан). Поршень 5 совершает возвратно-поступательные движения, которые с помощью кривошипно-шатунного механизма, — шатуна 6 и кривошипа 7, — преобразуются во вращательное движение вала 8.

Рис. 7.1. Схема устройства и диаграмма рабочего процесса д.в.с.

Крайние положения поршня, при которых направление движения поршня изменяется на обратное, называются мертвыми точками: у крышки цилиндра — верхней мертвой точкой (в. м. т.), противоположная — нижней мертвой точкой (н. м. т.).

Движения поршня, равномерно следующие друг за другом, от одной мертвой точки к другой, называются тактами, а путь между ними называется ходом поршня. Объем, описываемый поршнем за один ход, называется рабочим объемом цилиндра.

Рабочий процесс д. в. с. начинается с движения поршня 5 от в. м. т. вниз при открытом впускном клапане 2 (такт всасывания I). При этом в цилиндр поступает смесь бензина или керосина с воздухом, которая образуется в специальном устройстве, называемом карбюратором (или смесителем в случае газообразного топлива); при использовании так называемого тяжелого топлива (например, нефти, солярового масла) в такте всасывания поступает чистый воздух.

В н. м. т. впускной клапан 2 закрывается и поршень, перемещаясь в обратном направлении, совершает такт сжатия II. Вблизи от в. м. т. в карбюраторных д. в. с. воспламенение топлива происходит электрической искрой (принудительное воспламенение), и топливо сгорает в момент прихода поршня в в. м. т. Вследствие этого температура и давление продуктов сгорания резко возрастают при практически постоянном объеме.

В так называемых д. в. с. высокого сжатия в среду сильно сжатого и нагретого до 500—600 °С воздуха впрыскивается через форсунку жидкое топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. Распыление жидкого топлива в форсунке может осуществляться воздухом, сжатым в специальном компрессоре (компрессорные дизеля), или механическое распыление при помощи топливного насоса (бескомпрессорные дизеля). После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт III). Вблизи от н. м. т. открывается выпускной клапан. Давление падает и при движении поршня от н. м. т. до в. м. т. отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа IV) при давлении, несколько большем атмосферного. Такая диаграмма рабочего процесса обычно записывается специальным прибором — индикатором, а полученная таким образом диаграмма называется индикаторной диаграммой. На индикаторной диаграмме откладывается объем цилиндра, описываемый поршнем в данный момент.

Из-за высоких температур в цилиндре двигателя (порядка 1600—2000 °С) приходится интенсивно охлаждать цилиндр, чаще всего водой, поэтому между стенками цилиндра и продуктами сгорания все время происходит теплообмен.

Легко видеть, что действительные процессы, протекающие в д. в. с., являются необратимыми (протекают с конечными скоростями, трением и теплообменом при конечной разности температур), поэтому индикаторную диаграмму нельзя отождествлять с термодинамическим циклом.

Практически наиболее удобно подводить теплоту по изохоре либо по изобаре или по смешанному способу — изохоре и изобаре. В соответствии с этим для д. в. с. разработаны три теоретических цикла, имеющих практическое значение:

1) цикл с подводом теплоты при v=const;

2) цикл с подводом теплоты при р=const;

3) цикл со смешанным подводом теплоты при v=const и р=const.

7.2.Цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном объёме (цикл Отто)

Является прототипом рабочего процесса в двигателях с принудительным зажиганием. Отличительной особенностью таких двигателей является сжатие горючей смеси (смеси паров бензина с воздухом). Этот цикл состоит из двух адиабат и двух изохор (рис. 7.2). Адиабата 1—2 отвечает сжатию горючей смеси, изохора 2—3 — сгоранию смеси (подвод теплоты q₁), вследствие чего давление повышается до р₃. После этого продукты сгорания адиабатно расширяются (процесс 3—4). В изохорном процессе 4—1 от газа отводится теплота q₂.

Рис. 7.2. Цикл д. в. с. с изохорным подводом теплоты

Это цикл двухтактного д. в. с. Между точками 4-1 практически при постоянном объёме осуществляется сначала выпуск отработавших газов а затем и продувка цилиндра смесью топлива с воздухом (карбюраторные д. в. с.) или воздухом (дизельные д. в. с.).

Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия и

степень повышения давления . Здесь v₁, v₂, p₂, p₃ – объёмы и давления рабочего тела в соответствующих точках цикла д. в. с.

Расчёт цикла сводится к определению параметров p, v и T в характерных точках и определению количеств подведенного и отведенного тепла, полезной работы и термического к. п. д. цикла.

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

,

(7.1)

7.3.Цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном давлении (цикл Дизеля)

Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры (рис. 7.3) и является образцом для двигателей тяжелого топлива, которые называются компрессорными дизелями и в которых горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр специальным компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются только на судах и в качестве стационарных установок электростанций.

В этих двигателях сначала сжимается по адиабате 1—2 чистый воздух, в результате чего его температура повышается до требуемой температуры самовоспламенения топлива. Затем в изобарном процессе 2—3 происходит впрыск и горение топлива (подвод теплоты q₁). Далее происходит адиабатное расширение 3—4 и изохорный выхлоп 4—1 (отвод теплоты q₂).

Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия и

степень предварительного расширения .

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

.

(7.2)

Рис. 7.3. Цикл д. в. с. с изобарным подводом теплоты

Из (7.2) видно, что η_t возрастает с увеличением степени сжатия и с уменьшением степени предварительного расширения.

Степень сжатия в дизелях определяется достижимой прочностью и составляет 14÷16.

Если сравнивать цикл Отто с циклом Дизеля, то обнаружится, что термический к. п. д. цикла Отто выше, чем цикла Дизеля при одинаковых степенях сжатия и количествах подводимого тепла. Но если эти циклы сравнивать при одинаковых максимальных давлениях и температурах, то термический к. п. д. цикла Дизеля окажется выше термического к. п. д. цикла Отто.

Обычно и ε и p у дизелей выше, чем у карбюраторных д. в. с. Поэтому удельный расход топлива (г/кВт) у дизелей меньше, чем у карбюраторных д. в. с.

7.4.Цикл д. в. с. со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера)

Характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива с механическим распылением топлива. Здесь горючее впрыскивается в цилиндр через распыливающее устройство (форсунку) с помощью плунжерного насоса под давлением в несколько сотен бар. Впервые бескомпрессорный нефтяной двигатель был создан в 1904 г. конструктором Сормовского завода Г. В. Тринклером (впоследствии профессор Горьковского политехнического института). Сжигание топлива в таком двигателе сначала происходит по линии v=const (процесс 2—3) с повышением давления (рис. 7.4), а затем при постоянном давлении (процесс 3—4). Характеристиками этого цикла являются:

степень сжатия ,

степень повышения давления и

степень предварительного расширения .

Можно показать, что термический к. п. д. цикла

.

(7.3)

Рис. 7.4. Цикл д. в. с. со смешанным подводом теплоты

Из выражения (7.3) следует, что термический к. п. д. цикла возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения. Поэтому современные дизели стремятся конструировать так, чтобы в теоретическом цикле изобарный участок тепла имел минимальные размеры, то есть так, чтобы ρ≈1.

При ρ=1 цикл Тринклера превращается в цикл Отто, а при λ=1 – в цикл Дизеля.

Цикл Тринклера является наиболее эффективным, поэтому современные дизели работают по циклу Тринклера.

Термический к. п. д. различных двигателей внутреннего сгорания составляет в среднем 0,45÷0,6.

7.5.Принцип действия и схемы газотурбинных установок

Существенным недостатком д. в. с. является возвратно-поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. В газотурбинной установке (рис. 7.5), как и в д. в. с., рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением рабочего колеса турбины под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы.

Рис. 7.5. Схема газотурбинной установки

Как видно из схемы, воздух окружающей среды засасывается нагнетателем 2 через подогреватель воздуха 8. В нагнетателе воздух сжимается адиабатно до требуемого давления и подаётся в камеру сгорания 5.

В неё же топливным насосом 6 из топливного бака 7 подаётся топливо. В камере сгорания в результате воспламенения топлива образуются продукты сгорания, температура которых регулируется количеством подаваемого воздуха. Воздух подаётся с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемую температуру горения топлива. Продукты сгорания поступают в сопла газовой турбины 1, где их потенциальная энергия в процессе адиабатного расширения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины и их кинетическая энергия расходуется на вращение вала установки и передаётся электрическому генератору 3 и нагнетателю 2. Отходящие из турбины газы направляются в подогреватель воздуха 8, где отдают своё тепло воздуху, засасываемому нагнетателем 2.

Для пуска установки используют пусковой электродвигатель 4.

С целью обеспечения работы компрессора и турбины на внешнюю нагрузку в наивыгоднейших режимах с высоким к. п. д. применяют двухвальные схемы турбоустановок. В одних схемах компрессор приводится в движение турбиной высокого давления, находящейся с ним на одном валу, а в других – турбиной низкого давления. Тогда главная турбина, работающая на другом валу на внешнюю нагрузку, в первом случае будет состоять из ступеней низкого давления, а во втором – из ступеней высокого давления. Выбор частоты вращения ротора главной турбины определяется нагрузкой, частота же вращения компрессорного агрегата может изменяться в широких пределах, обеспечивая изменение расхода воздуха в соответствии с потребностью.

7.6. Циклы ГТУ с изобарным и изохорным подводом теплоты

В качестве простейших циклов газотурбинных установок (ГТУ) приняты: цикл с изобарным подводом теплоты и цикл с изохорным подводом теплоты. Эти циклы отличаются от соответствующих циклов д. в. с. процессом отвода теплоты — изохорный процесс отвода заменен изобарным. Современные ГТУ в основном работают с изобарным подводом теплоты.

Рис. 7.6. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты

Теоретический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты (рис. 7.6) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изобарного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении р₁ цикл завершается.

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора.

Полезная работа в цикле равна разности между технической работой турбины и технической работой, затраченной на привод компрессора.

Цикл газовой турбины с изобарным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления в цикле .

Можно показать, что .

То есть термический к. п. д. цикла ГТУ с подводом тепла при p=const увеличивается с увеличением степени повышения давления.

Рис. 7.7. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты

Теоретический цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты (рис. 7.7) состоит из процесса адиабатного сжатия воздуха 1—2 в компрессоре, процесса изохорного подвода теплоты 2—3 в камере сгорания и процесса адиабатного расширения 3—4 продуктов сгорания в соплах газовой турбины. После преобразования кинетической энергии струи газа на рабочих лопатках и процесса отвода теплоты 4—1 от газа в окружающую среду при постоянном давлении р₁ цикл завершается.

Цикл газовой турбины с изохорным подводом теплоты характеризуется степенью повышения давления при сжатии и степенью повышения давления при подводе теплоты .

Можно показать, что
.

Исследование последнего выражения показывает, что термический к. п. д. ГТУ с изохорным подводом теплоты возрастает с увеличением β и λ.

Цикл ГТУ с подводом теплоты при v=const не получил широкого распространения из-за сложности конструкции камеры сгорания и ухудшения условий работы турбины в пульсирующем потоке продуктов сгорания.