Газовые турбины в авиации

Газовые турбины широко используются в авиации, поскольку обладают хорошими удельными характеристиками, в частности высоким отношением мощности установки к ее весу. Широкое распространение получили турбореактивные двигатели (рис. 13.27, а).

Рис. 13.27. Схема турбореактивного двигателя и T—s диаграмма:

а— 1 — рост давления воздуха при торможении в диффузоре;

1—2 — изоэнтропное сжатие воздуха в компрессоре; 2—3 — нагрев при постоянном давлении в камере сгорания; 3—4 — изоэнтропное расширение в турбине, сопровождающееся совершением работы; 4—5 — изоэнтропное расширение рабочего тела в сопловой части Практически вся мощность турбины в турбореактивном двигателе затрачивается на приведение в действие компрессора и вспомогательных агрегатов. На выходе турбины газ имеет давление, которое значительно больше атмосферного. Далее газ расширяется в сопловой части и с большой скоростью истекает в окружающую среду. Изменение скорости газа V относительно двигателя и создает движущую силу или тягу Р:

T—s диаграмма рабочего цикла турбореактивного двигателя показана на рис. 13.27, б. Рабочим телом является воздух в состоянии идеального газа. Предполагается, что процессы в диффузоре, компрессоре, турбине и сопловой части являются изоэнтропными, а камера сгорания работает при постоянном давлении.

h—s диаграмма рабочего цикла турбореактивного двигателя показана на рис. 13.28.

В типичном термодинамическом анализе турбореактивного двигателя с модельным рабочим телом могут быть заданы: скорость воздуха на входе в диффузор, степень повышения давления в компрессоре, температура на входе в турбину. Целью термодинамического анализа является определение скорости истечения на срезе сопла и тяги двигателя.

Рис. 13.28. h—s диаграмма рабочего цикла турбореактивного двигателя:

0—1 — удельная кинетическая энергия набегающего потока, У_с|_молет / 2; 1—2 — энергия, потребляемая компрессором; Q" — тепловая энергия, которая выделяется в камере сгорания на участке 2—3 при постоянном давлении; 3—4 — работа турбины, которая затрачивается на приведение в действие компрессора; 4—5 — кинетическая энергия газа на срезе сопла двигателя; — тепловая энергия, уносимая с потоком газа В следующем примере приведен термодинамический анализ цикла турбореактивного двигателя.

Пример 13.7.

Воздух попадает в турбореактивный двигатель при давлении 0,8 бар и температуре 250 К, скорость воздуха на входе в двигатель 900 км/ч (250 м/с), степень повышения давления в компрессоре равна 8. Температура рабочего тела на входе в турбину составляет 1200 К, давление на срезе сопла — 0,8 бар. Работа, создаваемая турбиной, расходуется на приведение в действие компрессора. Процессы в диффузоре, компрессоре, турбине и сопловом блоке изоэнтропны, давление в камере сгорания постоянно. Для стационарного режима работы двигателя определите скорость рабочего тела на срезе сопла и давления в основных точках процесса.

Решение

Как и в предыдущих примерах, будем использовать таблицы термодинамических свойств воздуха для определения энтальпии по заданной температуре и температуры по известной энтальпии. Температура рабочего тела меняется в цикле довольно существенно, поэтому будем использовать в расчетах значения показателя адиабаты, усредненные для процесса. Эго приближение является очень грубым, но позволяет получить решение достаточно просто.

Энтальпия торможения на входе в диффузор равна

поэтому h₃-h₄ = h‘2 — h_v откуда.

Из закона сохранения энергии следует, что.