§ 6.7. 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 Радо давления в камере сгоранияр0.
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 Р0до давленияpc, которое устанавливается на срезе сопла (в общем случае оно может отличаться от давления окружающей среды Рн).
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 (линияb—с). Полученный замкнутый циклaO1bcaбудет 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 рс/рои показателя адиабаты К.
Для расчетного режима работы, когда РС=РН, термодинамический кпд будет определяться более простой формулой
(6.8)
С увеличением отношения рс/рои 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. рС>рН;
— режим перерасширения, когда давление на срезе сопла меньше давления в окружающей среде, т. е. рС<рН.
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 рн/ро. При этом увеличение р0/рСприводит к более резкой зависимости термодинамического к. п. д. от отношения рн/ро, так как при этом возрастает значение коэффициента β.
Проектирование и работа газовых и парогазовых турбин подробно рассмотрена в соответствующей литературе [6].