Цикли реактивних двигунів

3.1 Цикли реактивних двигунів

Реактивні двигуни поділяють на повітряно-реактивні, у яких як окислювач використовується кисень атмосферного повітря, і ракетні, що не використовують атмосферне повітря. Термодинамічні процеси, що складають цикл повітряно-реактивного двигуна, здійснюються в декількох елементах.

У двигунах з дозвуковими швидкостями польоту адіабатний стиск повітря відбувається спочатку в дифузорі під впливом потоку повітря, що набігає, потім у компресорі. Стиснутий до тиску р повітря подається в камери згоряння, де при постійному тиску до нього підводиться питома кількість теплоти q. З камер згоряння газ - робоче тіло - подається на лопатки газової турбіни, де частково розширюється без теплообміну з зовнішнім середовищем. При цьому турбіна робить позитивну роботу, чисельно рівну площі у vp-діаграмі, що витрачається компресором на стиск повітря. Подальше адіабатне розширення газів відбувається в реактивному соплі до тиску зовнішнього середовища. Гарячі випускні гази після двигуна прохолоджуються при тиску зовнішнього середовища, віддаючи їй питома кількість теплоти q2. Порівняння термодинамічних циклів показує, що вони цілком збігаються.

Повітряно-реактивні двигуни, що відносяться до безкомпресорних, поділяють на прямоточні і пульсуючі. При великій швидкості поступального рухові двигуна повітря, потрапляючи в дифузор, гальмується, динамічний напір перетвориться в статичний тиск. Стиснутий у такий спосіб повітря в камері згоряння разом з паливом утворить гарячу суміш, продукти згоряння якої подаються в сопло. Тяга двигуна створюється прямою реакцією струменя, що випливає.

При надзвукових швидкостях польоту повітря попадає у вхідний канал двигуна з надзвуковою швидкістю. Для можливо більш повного перетворення швидкісного напору в тиск у надзвукових двигунах використовують дифузори складної форми з конічною голкою. Форма каналу, утворена дифузором і голкою, дозволяє знизити швидкість повітря і підвищити його тиск до рівня, необхідного для спалювання палива в камері згоряння.

В ідеальному циклі прямоточного повітряно-реактивного двигуна процес стиску повітря є адіабатним. Підведення теплоти qi відбувається в камері згоряння при постійному тиску р, після чого в реактивному соплі виконується адіабатне розширення до тиску зовнішнього середовища. Процес віддачі теплоти від робочого тіла зовнішньому середовищу - ізобарний. Таким чином, діаграма циклу прямоточного повітряно-реактивного двигуна за формою збігається з діаграмою циклу турбореактивного двигуна.

У безкомпресорному пульсуючому повітряно-реактивному двигуні повітря стискується в дифузорі адіабатно, згоряння робочої суміші здійснюється в ізольованому обсязі (ізохорний процес ). Продукти згоряння при русі в конфузоре і випускній трубі розширюються адіабатно до тиску зовнішнього середовища потім відбувається ізобарний процес охолодження - віддача теплоти від робочого тіла зовнішньому середовищу.

Термічний ККД циклу пульсуючого повітряно-реактивного двигуна з ростом теплового навантаження двигуна (збільшення кількості підведеної теплоти q,) збільшується як термічний ККД, так і робота циклу.

У камеру згоряння рідинного ракетного двигуна спеціальними насосами подаються рідке паливо і рідкий окислювач. У камері згоряння паливо згоряє, а, що утворилися при цьому газоподібні продукти згоряння при русі по соплу розширюються по адіабаті. При роботі ракетного двигуна на розрахунковому режимі тиск газів на зрізі сопла виявляється рівним тиску зовнішнього середовища.

Термічний ККД двигуна можна розрахувати у виді відносини корисної питомої роботи

 

L=і₁- і₂

до питомої кількості теплоти q₁. Тому, що процес адіабатного розширення є одночасно і процесом адіабатного витікання робочого тіла з камери згоряння в зовнішнє середовище. Відповідно до цього є відповідна формула

l_д = 0,5w²

де w - швидкість витікання робочого тіла із сопла.

Таким чином, термічний ККД двигуна можна представити у виді η=0,5w²/ q₁

У ракетних двигунах твердого палива шашки з паливом знаходяться безпосередньо в камері згоряння. Пальне й окислювач, що містяться у твердому паливі, до запалення не реагують між собою. При запаленні твердого палива (при пуску двигуна) утворяться гази (продукти згоряння), що, розширюючись по адіабаті викидаються через сопло з великою швидкістю і створюють реактивну тягу.

3.2 Застосування реактивних двигунів у народному господарстві

У народному господарстві найбільше застосування знаходять як нові, так і встановлений гарантійний ресурс, що відробили в повітрі, авіаційні ГТД (АГТД). АГТД є найбільш зробленими в конструктивному відношенні двигунами, що працюють з найбільш високою економічністю. Вони компактні, легкі, мають мале металоємність і обсяг, високу маневреність. Завдяки серійному випуску АГТД мають питому собівартість значно меншу, ніж наприклад, стаціонарні ГТУ.

Розглянемо деякі випадки використання АГТД у різних галузях промисловості, в енергетику, на транспорті. АГТД входять до складу пікових і резервних енергетичних установок на електростанціях. Тому, що ресурс роботи звичайних пікових установок значно більше (до 10 - 20 тис. год) терміну служби встановлюваних АГТД, в. плин цього терміну АГТД приходитися змінювати 2 чи 3 рази. При створенні енергетичних установок використовують як ТРД, так і ТВД. Конкретний тип АГТД вибирають у першу чергу в залежності від необхідної потужності і призначення станції. Деякі типи ТВД можна застосовувати безпосередньо для приводу электрогенератора. У цьому випадку планетарний редуктор, через який у вихідному ТВД потужність передається на гвинт (гвинти), заміняють більш простимо редуктором, що знижує частоту обертання до 3000 об/хв. Якщо два чи трохи ТВД установлюються для приводу одного електрогенератора, то вони, працюючи паралельно, передають потужність через один редуктор.

Могутні енергоустановки створюються в основному на базі ТРД. У них ТРД звичайно служити газотурбогенератором (ГТГ). Потенційна енергія газів, що відробили, використовується для приводу силової турбіни, що приводить в рух електрогенератор. Реактивне сопло двигуна заміняється перехідним патрубком і силовою турбіною.

Енергоустановки з декількома ТВД чи ТРД працюють з високою паливною економічністю на часткових навантаженнях. Застосування АГТД у складі пікових і резервних енергоустановок особливо доцільно через винятково швидкий їхній вихід на робочий режим (навіть з холодного стану не більш, ніж через 3 - 5 хв), причому легко забезпечується автоматичне включення енергоустановок у роботу при падінні частоти струму в електричній мережі.

Об'єднанням декількох ГТД можна створювати могутні енергоустановки для резервування потужностей великих електростанцій, а також для покриття найбільш гострої пікової частини навантаження. З зббільшенням одиничних потужностей істотно знижується питома вартість електростанції. Енергоустановки з що відробили літний ресурс АГТД (наприклад, двигунами АИ-20) застосовуються також у силових установках пересувних електростанцій потужністю 1600 і 2000 кВт. У стаціонарних умовах АГТД можуть використовуватися як привід бурильних установок, що перекачують агрегатів на газо- і нафтопроводах. Економічна доцільність застосування АГТД визначається можливістю його роботи на паливі, що перекачуються; такі установки легко транспортуються, монтуються і демонтуються, керуються автоматично і дистанційно, не вимагають громіздких фундаментів і спеціальних приміщень. Прикладом використання перетворених авіаційних двигунів у якості газоперекачуючих агрегатів (ГПА) є агрегат ГПА-Ц-6,3 потужністю 6,3 Мвт, двигуном у якому служить газотурбінна установка НК-12СТ, перероблена з АГТД типу НК-12. Організовано серійне виробництво цих ГПА. Вони виявилися дуже надійними в експлуатації; економічний ефект від уведення компресорних станцій із ГПА-Ц-6,3.

На базі авіаційних двигунів розробляються ГПА потужністю 25 Мвт. АГТД знаходять застосування також у суднових установках. Для ефективної передачі потужності АГТД на гвинт передбачається компонування з вільною силовою турбіною гвинта, а турбокомпресорний блок ТРД використовується як генератор газу. Потужність від силової турбіни гвинту передається через редуктор. Іноді для цих цілей в одновального ТВД виділяють останні (одну чи дві) ступіні турбіни у кінематично не зв'язану з турбокомпресорним блоком вільну турбіну для приводу гвинта.

Двокаскадний ТРДД також може бути перероблений шляхом виділення частини ступіней турбіни низького тиску для створення додаткової вільної турбіни гвинта. У деяких суднових установках турбокомпресорний блок ТРД використовується як генератор стиснутого повітря для ГТУ з розділеним потоком повітря.

При призначенні АГТД у якості суднової силової установки, крім змін у схемі двигуна, необхідно також передбачити міри, що забезпечують задовільну роботу ГТД в умовах рухові судна: установку сепараторів вологи і фільтрів при вході в двигун, застосування покрить для деталей компресора і пристроїв для періодичного чищення компресора від відкладень, а також посилення підшипникових вузлів. Для зниження рівня шуму і теплового випромінювання турбокомпресорний блок двигуна іноді укладають у звуконепроникний кожух, що складається з частин. Кожух покривають зсередини звукоізоляційним матеріалом і забезпечують вентиляцію камери між турбокомпресорним блоком і кожухом для чого через патрубки підводиться і приділяється охолодний повітря. Крім того, у вхідному повітряному каналі й у випускній системі двигуна встановлюють спеціальні шумоглушники, облицьовують стіни машинного відділення звуковбирними матеріалами, звукоізолюють механізми за допомогою кожухів і перегородок і застосовують амортизатори, що зменшують передачу вібрацій на корпус судна.

Позитивні якості перетворених з авіаційних ТРД, ТВД і ТРДД двигунів особливо яскраво виявляються при установці їх на судах на підвідних крилах і на повітряній подушці, навіть за умови, що моторесурс цих двигунів внаслідок зміни умов роботи знижується до 1800-2500 г замість 3000-4000 г при роботі на літаках

Головну силову установку пасажирського судна на підвідних крилах «Буревісник» складають два двигуни АИ-20А потужністю по 2000 кВт, що приводять двоступінчасті водометні рушії. Застосування водометного рушія дозволило цілком зберегти конструкцію серійного ТВД, за винятком системи автоматичного регулювання, що була трохи змінена. Під час пуску двигуна повітряна заслінка повітрозабірника відкривається, і водомет разом з водою забирає повітря, забезпечуючи досить легке розкручування ротора. Двигун АИ-20А було встановлено також на судні на повітряній подушці «Сормович».

Перетворені АГТД застосовуються для приводу електрогенератора на пересувних електростанціях і як силові установки швидкісних пасажирських потягів (турбопоїздів). Порівняння турбопоїздів і тепловозної тяги в пасажирському залізничному транспорті показало, що турбопоїзда доцільно застосовувати при швидкостях рухові більш 100-120 км/ч.

Космічні дослідження вимагають створення для перших ступеней ракет РРД і РДТТ із тягою в кілька сотень і тисяч кілоньютонів і одночасно з цим різних гальмових, коригувальних ракетних двигунів і, нарешті, мікродвигунів.

Висновок

В даній курсовій роботі описані такі питання, як класифікація реактивних двигунів, будову та прнцип дії та цикли газотурбінного та турбореактивного двигунів. Також описана будова найбільш використовуваних у народному господарстві, а саме у авіації, повітряно-реактивних двигунів.

Прогрес у вивченні та розробці нових реактивних двигунів дають змогу використовувати реакивні двигуни у народному господарстві, як у авіації, так і у енергетиці.Об'єднанням декількох ГТД можна створювати могутні енергоустановки для резервування потужностей великих електростанцій, а також для покриття найбільш гострої пікової частини навантаження. З збільшенням одиничних потужностей істотно знижується питома вартість електростанції. Енергоустановки з що відробили літний ресурс АГТД (наприклад, двигунами АИ-20) застосовуються також у силових установках пересувних електростанцій потужністю 1600 і 2000 кВт. У стаціонарних умовах АГТД можуть використовуватися як привід бурильних установок, що перекачують агрегатів на газо- і нафтопроводах. Вони виявилися дуже надійними в експлуатації; економічний ефект від уведення компресорних станцій із ГПА-Ц-6,3.

Література

 

1.  «Реактивні двигуни та великі швидкості», Л.П. Абіанц, М. 1978 р.

2.  «Теплотехніка», під ред. В.І. Крутова, М. 1986 р.

3.  «Загальна теплотехніка і теплові машини», Швець І.Т., Кіраковський І.Т. «Вища школа», 1977 р.