Теоретические основы теплотехники - РУС

7.6. Изображение процесса сжатия в лопаточном компрессоре.

1-2 – реальный процесс

1-2 – идеальный процесс Внутренний кпд ступени осевого компрессора составляет 0.8 – 0.92, а

ступени центробежного – 0.8 – 0.86.

Вентиляторы часто не имеют спрямляющего аппарата. Выпускается серийно с диаметроми рабочих калес от 200 мм до 2000 мм.

Давление, развиваемое вентиляторами, лежит в пределах 30 – 12000 Па.

7.7. Вентиляторы. Назначение и принцип действия осевых и центробежных вентиляторов. Классификация и подбор вентиляторов.

Вентилятор – устройство с рабочим органом в виде лопаточного колеса. Предназначены для сжатия воздуха со степень повышения давления до 1.15 и

его перемещения.

Наиболее распространены радиальные (центробежные) и осевые вентиляторы.

Принцип действия и тех и других вентиляторов не отличается от работы ступеней лопаточных компрессоров. Спрямляющий аппарат у вентиляторов обычно отсутствует.

КПД вентиляторов осевых несколько больше, чем центробежных.

7.8. Классификация и подбор вентиляторов

Вентиляторы обычно проектирует сериями. Номер вентилятора соответствует диаметру рабочего колеса в дециметрах.

По величине создаваемого давления вентиляторы подразделяют на вентиляторы:

низкого давления – до 1000 Па; среднего давления – до 3000 Па; высокого давления – до 15000 Па.

Вентиляторы общего назначения и целый ряд специально стандартизованы, поэтому всегда следует по мере возможности применять серийно выпускаемое оборудование.

7.9. Характеристики вентиляторов.

Характеристика вентилятора – зависимость давления, потребляемой мощности и КПД от его объемной производительности.

Работу вентилятора всегда стараются обеспечить на правой ветви напорной характеристики вблизи максимума КПД.

7.10. Применение вентиляторов

Вентиляторы используются во многих областях. Примеры:

1.Системы вентиляции и кондиционирования воздуха;

2.Тягодутьевые вентиляторы в тепло энергетике;

3.Вентиляторы систем охлаждения машин и механизмов;

41

4.Специальные вентиляторы (шахтные, карьерные, метрополитен);

5.Вентиляторы систем пневмотранспорта.

Подбор вентиляторов осуществляют с учетом требуемого давления, производительности по каталогам и справочникам, в которых приведены основные характеристики.

Иногда проектируют и изготавливают вентиляторы по требованиям конкретной установки, машины или механизма, причем при создании новой техники этот вопрос приходится решать довольно часто.

42

8. ДВИГАТЕЛИ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ

Предлагаемый Вашему вниманию доклад посвящен поискам путей оптимизации рабочих процессов и параметров автомобильных двигателей Стирлинга. Такие двигатели привлекают внимание специалистов своим высоким КПД, способностью работать от любых источников тепла, в том числе низкого потенциала. Одним из важнейших условий, предъявляемых в настоящее время к любым энергетическим установкам, помимо КПД, является экологическая чистота. Двигатели Стирлинга, являются одними из наиболее совершенных устройств, в комплексе удовлетворяющих указанным требованиям. Поэтому весьма перспективным представляется использование двигателей Стирлинга для силовых установок автомобилей, особенно для внутригородского транспорта.

Двигатели Стирлинга, основные модификации которых представлены схематически на плакате 1, являются одними из наиболее эффективных преобразователей энергии. В настоящее время тепловые машины Стирлинга в основном находятся в стадии опытно-конструкторских разработок. Накоплен (к сожалению, в основном за границами СНГ) некоторый опыт их расчетов, проектирования, изготовления и эксплуатации. Теоретически и экспериментально характеристики таких машин исследованы в значительно меньшей степени, чем ДВС, ГТУ, ПСУ. Поиски и новые разработки в этом направлении постоянно продолжаются.

Широкому применению двигателей этого типа препятствует наличие ряда нерешенных проблем, в числе которых - правильный выбор параметров. К другим следует отнести необходимость создания рациональных методов расчета характеристик двигателей. До настоящего времени не создана универсальная и достаточно надежная методика оптимизации, хотя проведены многочисленные теоретические и опытные исследования как отдельных узлов, так и двигателей в целом.

Цель работы Исходя из вышеприведенного определились цели проводимых исследований,

аименно:

1.Сравнительный анализ параметров известных схем и моделей машин Стирлинга.

2.Создание методики теплового, гидравлического расчета параметров двигателей.

3.Исследование соотношений видов потерь энергии в машинах с целью с целью дальнейшей оптимизации их параметров.

4.Разработка методов расчета характеристик двигателей.

В предлагаемой Вашему вниманию работе рассматривается метод расчета рабочих процессов и оптимизации параметров тепловых машин Стирлинга, позволяющий повысить их мощность и КПД. Эта оптимизация может проводиться уже на стадии предварительной проработки вариантов построения машин. Предлагаемая методика не претендует на полную завершенность, поскольку исследования в данном направлении продолжаются, однако ее основные положения и принципы уже дают обнадеживающие результаты. Конечной целью является определение основных параметров двигателей на основе замкнутой

43

оптимизации, позволяющей наилучшим образом выбирать основные соотношения его узлов и деталей на стадии конструирования.

8.1. Расчет параметров действительных циклов

Известные методы расчета параметров действительных циклов двигателей проводятся обычно по ступенчатой схеме. На первом этапе определяются и выбираются параметры идеального цикла, чаще всего на основе теории Шмидта, на втором - вычисляются параметры действительного цикла с учетом тепловых, гидравлических и др. потерь во внутреннем контуре двигателя. Последующие этапы предполагают определение основных характеристики двигателя с учетом механических, внешних тепловых и др. потерь.

Однако ступенчатая схема расчетов параметров двигателей может быть применена далеко не всегда. Ее нельзя использовать, например, при оптимизации по внутреннему или эффективному КПД двигателя, поскольку для любых соотношений его параметров КПД идеального цикла определяется только температурами источников теплоты. Аналогичным образом обстоит дело при оптимизации по ряду других параметров, в частности, литровой мощности и др. Поэтому в общем случае всегда следует отдавать предпочтение полной оптимизации параметров двигателя по какому-либо из них, либо комплексу из этих параметров. Так, для транспортных двигателей, оптимизацию обычно осуществляют по какому-либо из параметров мощности, т.е. в какой-то мере по удельной массе, для стационарных силовых установок - по удельному расходу топлива, т.е. по эффективному КПД. Возможны и другие критерии оптимизации в зависимости от назначения двигателя и условий его работы.

Оптимизация предполагает получение для двигателя максимального значения такого параметра, который в данном варианте его практического применения следует считать наиболее важным (этот параметр в дальнейшем называется оптимизируемым), и вычисление остальных характеристик машины и соотношений между ними, которые именуются оптимальными. В процессе оптимизации на начальном этапе производится расчет идеального цикла, а затем действительного, причем в ходе вычислений корректируются параметры как исходного, так и действительного циклов с учетом геометрических характеристик двигателя, различного рода потерь, рода рабочего тела, действительных температур и др.

Предлагаемый порядок вычислений параметров действительных циклов и двигателей путем замкнутой оптимизации представлен на плакатах 2,3. Варьируемыми параметрами помимо тех, традиционно используются при оптимизации идеальных циклов, являются длина и диаметр трубок нагревателя и охладителя, а также параметры насадки регенератора. Методика позволяет учесть конечную разность температур на внутренних поверхностях теплообменников, гидравлические потери в теплообменниках и регенераторе, неполноту регенерации, процессы теплообмена непосредственно в цилиндрах двигателя, механические потери на трение. В процессе вычислений учитывается изменение вязкости и теплопроводности рабочего тела в зависимости от его температуры. Модель и методика расчета позволяют находить оптимальные геометрические соотношения двигателей, определять их внутренний и эффективный КПД, оценивать влияние отдельных величин на параметры двигателя.

44

8.3. Результаты исследований

В качестве примера, подтверждающего достоинства замкнутой оптимизации, в верхней части на плакате 4 в виде таблицы представлены результаты расчетов двигателей -модификации с эффективной мощностью 32 кВт. Опытные образцы двигателей этой модификации испытывались за рубежом на автомобилях, поэтому исследованы параметры подобного двигателя. Из таблицы видно, что при оптимизации идеальных циклов по параметру работы wmax параметры действительного цикла практически совпадают с параметрами двигателя, оптимизированного по параметру мощности Z. Однако оптимизация по параметру Z2 уже дает существенные отличия, как это и предполагалось Д.Киркли. Оптимизация по параметру Z3 приводит к уменьшению габаритов двигателя за счет сокращения объемов нагревателя, охладителя и регенератора, однако при этом, как и при оптимизации по Z2, значения внутреннего и эффективного КПД невелики.

Интерес представляют результаты оптимизации по значениям внутреннего и эффективного КПД двигателя. В первом случае получена достаточно высокая величина i, как это видно из таблицы, однако достигается это за счет роста объемов теплообменников, цилиндров и регенератора, что способствует уменьшению гидравлических потерь, улучшению процессов теплообмена и регенерации. В то же время увеличение размеров цилиндров приводит к резкому уменьшению механического КПД и, соответственно, эффективного КПД. Оптимизация по эффективному КПД дает вполне удовлетворительные результаты и ее можно рекомендовать для расчетов высокоэкономичных двигателей.

Оптимизация по литровой мощности двигателя дает примерно такие же результаты, как и оптимизация по параметру Z. Оптимизацию по удельной работе действительного цикла нельзя признать удачной вследствие крайне низких значений внутреннего и эффективного КПД.

Предлагаемые Вашему вниманию модель и методику расчета не следует считать окончательными и завершенными. Они обладают просматриваемыми потенциальными возможностями с точки зрения углубления качественных характеристик и расширения количественных параметров.

Так, например, допускается практически неограниченное введение корректирующих и дополняющих зависимостей. Имеется возможность выявить влияние отдельных элементов и параметров двигателей на их характеристики. Становится возможным исследование программ регулирования двигателей, переходных режимов и др. Так, например, сейчас расчетные уравнения уточнены с учетом значений "мертвых объемов" цилиндров и "мертвых объемов" между нагревателем и регенератором, между охладителем и регенератором. Проводятся расчеты для других рабочих тел (H2, Ar, воздух). Оцениваются количественно различного рода потери в двигателе и др.

Среди качественных характеристик следует выделить возможность перехода на расчеты параметров двигателей иных схем. В качестве примера на плакате 5 приведены идентичные по форме представления результаты оптимизации проектируемого 8-цилиндрового автомобильного двигателя двойного действия мощностью 160 кВт.

45

Заключение Проведенные и выполняемые в настоящее время исследования двигателей

Стирлинга позволяют сделать следующие выводы:

1.Предложена изотермическая модель идеального цикла машин Стирлинга на базе цикла Шмидта, позволяющая более полно отобразить соотношения параметров и процессы в двигателе.

2.Обоснована методика замкнутой оптимизации параметров действительных циклов двигателей, учитывающая их геометрические характеристики, кинематику, процессы теплообмена и регенерации, гидравлические и механические потери.

3.Разработаны методика, программы расчетов и оптимизации параметров

двигателей -, - и -модификаций, с ромбическим механизмом, двойного действия, позволяющие определять их основные характеристики на этапе конструирования.

4.Предложены новые схемы двигателей Стирлинга, позволяющие повысить их мощность и экономичность.

5.Выявлены возможности двигателей новых схем, проанализированы их некоторые качественные и количественные характеристики.

6.Проведены предварительные проработки конструкции транспортного двигателя Стирлинга для грузового автомобиля.

В дальнейшем предполагается проведение исследований в следующих направлениях:

1.Выявление критериев оптимизации параметров двигателей исходя из особенностей их конструкции, практического применения и условий эксплуатации.

2.Эксергетический анализ двигателей и энергетических установок с целью поиска путей повышения их эффективности.

3.Разработка методов определения характеристик двигателей на нерасчетных режимах и программ их регулирования.

4.Создание расширенных моделей транспортных силовых установок, тепловых насосов, комплексных систем теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования зданий и сооружений, позволяющих оптимизировать их параметры на этапах проектирования.

5.Анализ качественных и количественных характеристик двигателей новых схем.

46

9.ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК

9.1.Общая характеристика газотурбинных установок

Газотурбинные установки - тепловые машины, у которых для получения полезной работы используется газовые турбины.

Газовая турбина - тепловой турбинный двигатель, в лопаточном аппарате которого энергия газового потока превращается в механическую энергию вращающегося вала.

9.2. Основные преимущества ГТУ

1.Возможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, что повышает т.к. п.д. цикла.

2.Большая единичная мощность установок . В настоящее время мощность стационарных ГТУ достигает 100 тыс. КВт (100МВт). Основными направлениями развития нашей страны на 1986-90 годы и

на период до 2000 года предусмотрено строительство газовых энергетических турбин единичной мощностью до 150тыс.кВт

3.Небольшие габариты и масса. Удельная масса транспортных ГТУ

примерно на порядок ниже чем удельная масса поршневых д.в.с.

4. Отсутствие деталей с возвратно-поступательным движением и, как следствие этого, высокий механический и.н.д.

м 0,99

Помимо этих преимуществ ГТУ имеют ряд недостатков, роль которых постепенно снижается по мере совершенствования ГТУ. О них мы упомянем позже.

9.3. Краткая история развития газотурбинных установок

Первые газовые турбины в России были созданы в 1897г. инженером Кузьминским П.Д. Он построил радиальную центробежную турбину со сгоранием топлива при постоянном давлении .

В1906 - 1908гг. инженер Караводин В.В. создал ГТУ со сжиганием топлива при постоянном объеме.

В1939г. профессор Харьковского политехнического института В.М. Маковский разработал ГТУ мощностью 400 кВт, которая была построена на ХТГЗ им. С.М. Кирова (ныне объединение Турбоатом) и установлена в г. Горловке (Донбасс). В качестве топлива использовался подземный газ.

Промышленное использование ГТУ началось в 1939г. в СССР и Швейцарии. Наибольшее развитие и внедрение ГТУ получили в авиации с конца 40х годов. Позже их стали применять также на судах и локомотивах.

Внастоящее время к. п. д. ГТУ достигает ~ 35%, а отдельные экспериментальные агрегаты и уникальные авиационные двигатели имеют термический к. п. д. , достигающий 50% .

9.4. Требования к конструкционным материалам.

Материалы, применяющееся в турбостроении, должны отвечать следующим требованиям:

47

1.Высокая механическая прочность.

2.Жаропрочность и жаростойкость.

3.Химическая и коррозионная стойкость.

4.По возможности низкая стоимость.

Материалы должны обеспечивать срок службы ГТУ до капитальной переборки не менее 100 тыс. часов. В настоящее время срок службы для транспортных установок достигает 20-50 тыс. часов

Авиационные ГТД имеют, как правило, срок службы в несколько тысяч, а иногда и сот часов.

Внастоящее время температура газов перед турбиной достигает 1300К. Для обеспечения таких высоких параметров цикла применяют охлаждение лопаток рабочего колеса и соплового аппарата. Начинают использоваться керамические и другие специальные материалы.

Вотдельных образцах авиационных ГТД достигнута температура газов перед турбиной 1640К. (фирма Rolls-Roys)

9.5. Схема и цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном давлении

1-2	- адиабатное сжатие воздуха в компрессоре;
2-3	- изобарный подвод тепла;
3-4	- адиабатное расширение рабочего тела в турбине;
4-1	- изобарный отвод теплоты с продуктами
	сгорания в атмосферу.
9.6. К. п. д. ГТУ
t = 1 - q2/q1 ;
q1 = Cp(T3-T2) ;		q2 = Cp(T4-T1) - тело подводится и отводится в изобарных
процессах.
t = 1 - (T4-T1)/(T3-T2)
= U3/U2 ;		= P2/P1 = P3/P4 - обозначения
T4 = T3/ k-1/k ;		T3 = T2 ;	T2 = T1 k-1/k

t = 1 - T1-T1/( k-1/k - k-1/k)T1 = 1-1/ k-1/k

t = 1 - 1/ k-1/k

48

Термический к. п. д. ГТУ непрерывно возрастает с увеличением степени повышения давления (часто эту величину обозначают ) и показателя адиабаты

К

9.7. Схема и цикл ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме.

Отличается от предыдущей ГТУ тем, что камера сгорания содержит клапаны, позволяющие периодически изолировать камеру сгорания от компрессора, топливного насоса и турбины и обеспечивать воспламенение и сгорание топлива при практически постоянном объеме.

1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-3 - изохорный подвод тепла;

3-4 - адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине; 4-1 - изобарный отвод тепла в атмосферу.

9.8. К. п. д. ГТУ с подводом теплоты при постоянном объеме.

t = 1-q2/q1
q1 = Cu(T3-T2) ;	q2 = Cp(T4-T1)
t = 1 - K(T4-T1)/(T3-T2)
= p2/p1 ;	= p3/p2 - степень повышения
T4 = T3(1/( )k-1/k) ;		давления	T1 k-1/k
	T3 = T2 ;	T2 =

t = 1- K(T1 1/k-T1/T1 k-1/k-T1 k-1/k) = 1-K( 1/k-1/( -1) k-1/k)

t = 1- k( 1/k-1)/ k-1/k( -1)

Т. к. п. д. возрастает с ростом К, и .

ГТУ с подводом тепла при постоянном объеме в настоящее время находятся в опытных образцов установок ввиду устройства камеры сгорания и низкой жаропрочности материалов клапанов.

49

Кроме того, для снижения пульсаций давления в трактах компрессора и турбины необходимо устанавливать ресиверы (большие емкости), снижающие уровень этих пульсаций.

При равных степенях повышения давления и равных максимальны температурах цикла T3 к. п. д. цикла с подводом тепла при постоянном объеме выше, чем к. п. д. цикла с подводом тепла при постоянном давлении т.к. T2cp изохорн.

< T2cp изобарн.

t изохорн. t изобарн.

При разных степенях повышение давления и равных максимальных температурах цикла T3 к. п. д. цикла с подводом тепла при постоянном давлении выше, чем к. п. д. цикла с подводом тепла при постоянном объеме вследствие более высокой средне интегральной температуре подвода тепла, т.е. T1cp изобарн. T1ср

изохорн.

t изобарн. t изохорн.

9.9. Способы повышения экономичности ГТУ

1. Увеличение степени повышения давления ( ) целесообразно осуществлять до разумных пределов, т.к. увеличивается число ступеней компрессора, а суммарный к. п. д. компрессора падает. Для реальных ГТУ существует оптимальная степень повышения давления.

Вреальных термодинамических циклах, учитывающих к. п. д. компрессора

ик. п. д. турбины термический к. п. д. цикла имеют максимум при определенном значении степени повышения давления.

Обычно компр. = 0,84 - 0,86 для осевых компрессоровкомпр. = 0,8 - 0,82 для центробежных компрессоров

турб. = 0,85 - 0,82

В современных ГТУ используется многоступенчатые, зачастую многокаскадные (двух - трехкаскадные) осевые компрессоры, имеющие степень повышения давления до 40-50.

Осевой компрессор является наиболее сложным узлом ГТУ как с точки зрения его расчета и проектирования, так и с точки зрения сложности производства. Он потребляет до 80% мощности, развиваемой газовой турбиной. Существует поговорка среди специалистов ГТУ “Хороший компрессор - хороший двигатель”.

2. Увеличение температуры газа перед турбиной T3 повышает т.к. п.д. ГТУ, но требует применение специальных дорогостоящих материалов, сложный системы охлаждения лопаток турбины. Ресурс ГТУ при этом существенно снижается. В настоящее время для стационарных ГТУ температура T3 не превышает обычно 1150 С.

3. Регенерация теплоты

50