31.Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера)

Цикл со смешанным подводом теплоты (цикл Тринклера) осуществляется в бескомпрессорных дизелях. В цилиндрах дизеля сжимается чистый воздух, и происходит самовоспламенение топлива, распыление которого осуществляется механическим путем с помощью насоса или насос-форсунки под давлением 100…150 МПа.

Топливо впрыскивается в камеру сгорания или специальные предкамеры. Процесс сгорания идет вначале с повышением давления, а затем при постоянном давлении. Осуществление такого подвода теплоты характерно для двигателей, работающих по смешанному циклу. a–с – адиабатное сжатие; c–z’ – изохорный подвод теплоты; z’–z – изобарный подвод теплоты; z–e – адиабатное расширение; е–а – изохорный отвод теплоты.

Диаграммы работы цикла со смешанным подводом теплоты

Цикл со смешанным подводом зависит от заданного начального состояния в точке с и от параметров цикла:

-степени сжатия (степень сжатия представляет собой отношение полного объема цилиндра V_a к объему камеры сгорания V_c; разность между полным объемом и объемом камеры сгорания дает так называемый рабочий объем цилиндра V_h);

-степени изохорного повышения давления ;

-степени предварительного (изобарного) расширения .

Параметры рабочего тела в узловых точках цикла при рассмотрении отдельных процессов, находят по формулам:

в точке с

;

;

в точке

;

;

в точке

;

;

в точке е

;

.

Термический КПД смешанного цикла равен:

,

где

;              ;

;                        .

Подставляя выражения для соответствующих температур и полагая, что теплоемкости идеального газа величины постоянные, получим:

.         Термический КПД цикла растет с увеличением  и k и уменьшается с увеличением . Степень изохорного повышения давления  связана с величиной . Чем больше , тем меньше  (при тех же значениях  и q₂). Тогда с ростом  термический КПД смешанного цикла увеличивается.

Работа теоретического цикла определяется по формуле:

.

Отношение работы цикла к рабочему объему v_h характеризует среднее давление цикла:

.

Среднее давление смешанного цикла равно:

.                     Наиболее эффективным способом увеличения среднего давления цикла является повышение начального давления – наддув двигателя.

32.Цикл ГТУ с подводом теплоты при p = const (цикл Брайтона)

Компрессор 1, приводимый в движение газовой турбиной 4, подает сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую через форсунку впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 2, находящимся на валу турбины. Продукты сгорания расширяются в сопловом аппарате и частично на рабочих лопатках турбины и выбрасываются в атмосферу.

Схема простейшей ГТУ

При сделанных допущениях термодинамический цикл ГТУ со сгоранием при р = const можно изобразить на pv- и TS-диаграммах в виде площади acze. Работа цикла на рv-диаграмме представляет собой разность площадей 1ez2 и 1ас2, соответственно равных работе турбины и компрессора.

На этих диаграммах (рис. 9.20): а–с – процесс адиабатного сжатия воздуха в компрессоре; c-z – процесс подвода теплоты в камеру сгорания при p = const; z-e –

адиабатный процесс расширения газа в турбине; е-а – изобарный процесс отдачи газом теплоты окружающему воздуху.

Параметрами цикла являются степень повышения давления воздуха  и степень предварительного расширения .

Термический КПД цикла определяют из общего выражения:

,

где              .

Диаграммы работы цикла ГТУ с подводом теплоты при p = const

Параметры газа в узловых точках цикла находят по формулам, связывающим параметры газа в адиабатном и изобарном процессах:

в точке с

;

в точке  

;

в точке е

.

Найдем выражение для термического КПД цикла:

.                            Выражение показывает, что термический КПД ГТУ при данном рабочем теле и постоянном значении показателя адиабаты k зависит только от степени повышения давления в компрессоре, причем с ростом  термический КПД цикла увеличивается.

На рисунке изображен рассматриваемый цикл при различных степенях повышения давления  и одинаковом подводимом количестве теплоты. Из графика следует, что при q₁ = idem и повышении  уменьшается количество теплоты, отдаваемое газом в окружающую среду, а это приводит к увеличению термического КПД цикла. Вместе с тем, с возрастанием  работа идеального цикла проходит через максимум. При адиабатных процессах расширения в турбине и сжатия в компрессоре работа турбины и компрессора соответственно равна:

;

.

Теоретическая работа цикла ГТУ:

,

где .

Цикл при различных степенях повышения давления

Взяв производную  по, найдем такое оптимальное значение , при котором работа цикла будет максимальной, но не будет обеспечен максимум термического КПД:

.

Несмотря на то, что увеличение  благоприятно сказывается на экономичности газотурбинной установки, повышение этой величины приводит к росту температуры газов перед рабочими лопатками турбины. Но температура лимитируется жаропрочностью сплавов, из которых изготовлены лопатки.

В настоящее время максимально допустимая температура газов перед турбиной составляет 1100…1200 °С, и дальнейшее повышение температуры может быть

достигнуто только при применении новых жаропрочных материалов и внедрении конструкций турбин с охлаждаемыми лопатками.

При расчете высокотемпературных ГТУ необходимо учитывать переменные значения теплоемкости c_p = f(T), энтальпии i = f(T), показателя адиабаты k = f(T) как в процессе расширения в турбине, так и в процессе сжатия, особенно в многоступенчатых компрессорах.