Описание:
Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов:
b—c Изоэнтропическое сжатие.
c—d Изобарическое расширение (подвод теплоты).
d—a Изоэнтропическое расширение.
a—b Изобарическое сжатие (отвод теплоты).
Как можно видеть из рис. 1, цикл Брайтона и сопло Лаваля работают совместно. КПД сопла Лаваля (отношение кинетической энергии струи на выходе к располагаемому теплу на входе) учитывает отвод теплоты из цикла Брайтона за исключением работы цикла Брайтона. Термический КПД идеального цикла Брайтона nut принято выражать формулой:
nut=1-[1/(P2/P1)степень((1-k)/k)]
P1 – величина давления на линии a-b,P2 – величина давления на линии c-d, k — средний показатель адиабаты
Работа двигателя ТРД
Компрессор втягивает воздух, сжимает его и направляет в камеру сгорания. В ней сжатый воздух смешивается с топливом, воспламеняется и расширяется. Расширенный газ заставляет вращаться турбину, которая расположена на одном валу с компрессором. Остальная часть энергии перемещается в сужающееся сопло. В результате направленного истечения газа из сопла на двигатель действует реактивная тяга. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500–2000 градусов Цельсия.
Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги (рис. 2).
Схема работы ТРД: 1. Забор воздуха; 2. Компрессор низкого давления; 3. Компрессор высокого давления; 4. Камера сгорания; 5. Расширение рабочего тела в турбине и сопле; 6. Горячая зона; 7. Турбина; 8. Зона входа первичного воздуха в камеру сгорания; 9. Холодная зона; 10. Входное устройство.
Применение сопла Лаваля
Смысл создания реактивной тяги состоит в применении сопла Лаваля (СЛ). Расчёт этого узла производился академиком Б. С. Стечкиным [2].
Влияние величины коэффициента превращения располагаемого тепла в кинетическую энергию струи на работу двигателя можно проследить, зная величину КПД сопла Лаваля.
Расчёт рабочего процесса двигателя ТРД
Если рассмотреть энергетический баланс самолёта, то можно видеть что есть энергия сопротивления воздуха, энергия реактивной струи и энергия внутренних затрат на привод агрегатов, обслуживание технических элементов самолёта и прочее. Естественно предположить, что величины сопротивления воздуха и реактивная тяга взаимно уравновешивают друг друга. Следовательно, надо разделить энергию реактивной тяги и энергию цикла Брайтона, считая что работа цикла Брайтона идет на внутренние потери. Если вести расчёт для 1 кг топлива, то подвод теплоты в цикл Брайтона составит d*Hu, где Hu, Дж/кг — теплота сгорания топлива, d — доля подведенной теплоты в цикл Брайтона. Потери теплоты на диссоциацию продуктов сгорания и теплообмен со стенками не учитываются. Для demo версии цикла Брайтона взяты следующие параметры:
1,0 Gt, kg/h fuel consumption
1,0 alp stokhiometric ratio
0,10P1, MPa pressure low
1100 Ta, K temperature in point 'a'
0,870 ct carbon share of fuel
0,126 ht hydrogen share of fuel
0,04 ot oxigen share of fuel
210,0 mut mol weight of fuel
29,0 muv mol weight of air
43 100 Hu, J/kg heat capacity of fuel
25,0 pis pis=P2/P1
0,25 d part of Hu in cycle
Рабочее тело состоит из воздуха на участках a-b, b-c, продуктов сгорания на участках c-d, d-a. Тёплоемкости воздуха на участках a-b, b-c, продуктов сгорания на участках c-d, d-a. На рис. 3, 4, 5 изображены показатели demo цикла Брайтона.
Расчёт скорости истечения из сопла Лаваля
Если записать баланс энергий для сопла Лаваля (СЛ), то мы будем иметь: располагаемое тепло
Hu-HU*nut×d=Hu*(1-nut*d), Дж/кг
кинетическую энергию
(m*ve*ve)/2, Дж/кг
ve — скорость потока на выходе, м/с, m- масса, кг
Коэффициент полезного действия СЛ
nul=(m*ve*ve)/(2*Hu*m*(1-nut*d))
Скорость потока из этой формулы
ve=SQR(nul*2*Hu*(1-nut*d)), м/с
Допустим nut=0,45, построим ve=f(nul, d).
Выводы:
Расчёт цикла Брайтона для турбореактивного двигателя произведен для случая движения самолёта, величины сопротивления воздуха и реактивная тяга взаимно уравновешивают друг друга.
2. Скорость на выходе из сопла Лаваля (СЛ) рассчитывается исходя из формулы коэффициента полезного действия СЛ (nul), термического КПД цикла Брайтона (nut) и доли от Hu в цикле Брайтона (d).
3. Параметры цикла Брайтона могут регулироваться.
Библиография
1. Википедия. Цикл Брайтона.
2. Стечкин Б.С. Теория тепловых двигателей. Избранные труды.// М. Наука, 1977, с. 410
