Термодинамический цикл газовой турбины.

В последнее время в качестве двигателей торпед используются в основном турбинные (турбоводометные) двигатели. Причем рабочее тело для них вырабатывается либо в ПГГ, либо в пороховом аккумуляторе давления. Используемые во втором случае твердые топлива в основном аналогичны ракетным твердым топливам (см. § 7.2).

Процессы, происходящие в газовой турбине, сводятся к следующему. Топливо, состоящее из горючего и окислителя, насосами или другим способом (например, под давлением сжатого газа) подается в камеру сгорания или ПГГ. При этом давление топлива повышается от начального давления Р_а до давления в камере сгорания р_0.

Топливо, поступившее в жидком виде в камеру сгорания, нагревается, испаряется и сгорает почти при постоянном давлении. Вследствие этого температура и удельный объем рабочего тела возрастают (линия а—О, рис. 11). Далее начинается адиабатическое расширение рабочего тела постоянного состава от давления Р₀ до давления p_c, которое устанавливается на срезе сопла (в общем случае оно может отличаться от давления окружающей среды Р_н).

Рис.11. Термодинамический цикл газовой турбины

Для того чтобы рабочее тело вернулось в первоначальное состояние, его надо охладить и сконденсировать до первоначального объема посредством отвода тепла по изохоре (линия 1—b) и изобаре (линия b—с). Полученный замкнутый цикл aO1bca будет идеальным циклом бескомпрессорной газовой турбины.

Идеальный цикл, упрощая действительные процессы, дает простые расчетные отношения, позволяющие выяснить факторы, влияющие на работу двигателя, и наметить пути повышения его эффективности.

Отличие реального цикла от идеального в основном состоит в следующем:

– работа, затрачиваемая на процесс сжатия и подачи компонентов, не равна нулю;

– при идеальном цикле не учитываются потери энергии в процессе сгорания, в результате чего температура рабочего тела в реальном цикле снижается;

– вследствие теплообмена, трения и других потерь процесс расширения происходит не по адиабате, а по политропе.

Учет этих потерь в основном производится экспериментально.

Основной величиной, характеризующей идеальный цикл двигателя, является термический коэффициент полезного действия. Этот к. п. д. учитывает только потери тепла, которое не может быть превращено в работу согласно второму закону термодинамики.

Для идеального цикла величина термодинамического кпд

где Q₁ — количество тепла, подводимого к рабочему телу;

Q₂ — количество тепла, отводимого от рабочего тела.

В нашем случае

;

(6.7)

где К – показатель адиабаты,

р – давление в соответствующих точках диаграммы.

Из формулы (6.7) видно, что величина термодинамического кпд зависит от степени расширения, соотношения давлений окружающей среды и на выходе из сопла р_с/р_о и показателя адиабаты К.

Для расчетного режима работы, когда Р_С=Р_Н, термодинамический кпд будет определяться более простой формулой

(6.8)

С увеличением отношения р_с/р_о и показателя адиабаты К термодинамический кпд цикла растет, приближаясь в пределе к единице. Применение топлив, продукты сгорания которых состоят из газов с малым молекулярным весом, увеличивает при прочих равных условиях термодинамический кпд.

Газовая турбина может работать также и на нерасчетных режимах, которые могут иметь место как при изменении глубины так и при изменении расхода топлива. Возможны два вида нерасчетных режимов:

— режим недорасширения, когда давление на срезе сопла больше давления в окружающей среде, т. е. р_С>р_Н;

— режим перерасширения, когда давление на срезе сопла меньше давления в окружающей среде, т. е. р_С<р_Н.

Для постоянного сопла, т. е. сопла с постоянными величинами критического и выходною сечений, а следовательно, и постоянной степенью расширения, формула (6.8) преобразуется к следующему

(6.9),

где

Таким образом, термодинамический кпд газовой турбины изменяется по линейному закону от отношения р_н/р_о. При этом увеличение р₀/р_С приводит к более резкой зависимости термодинамического к. п. д. от отношения р_н/р_о, так как при этом возрастает значение коэффициента β.

Проектирование и работа газовых и парогазовых турбин подробно рассмотрена в соответствующей литературе [6].