Идеальный цикл комбинированного двигателя

Современный дизель представляет собой комбинированный двигатель, где газы совершают полезную работу сначала в цилиндре (перемещая рабочий поршень), а затем в газовой турбине. Газовая турбина используется для привода воздушного компрессора, подающего воздух в цилиндры под более высоким давлением, чем давление окружающей среды.

Рис. 1 Схема комбинированного двигателя

Идеальный цикл комбинированного двигателя состоит из цикла acz, zb поршневого двигателя со смешанным подводом тепла и участка bma, представляющего собой работу газа в турбине.

На рисунке обозначено:

ас — адиабатное сжатие рабочего тела в цилиндре;

cz1 — подвод тепла q1 при постоянном объеме;

z1 z — подвод тепла q2 при постоянном давлении;

zb — адиабатное расширение рабочего тела в цилиндре;

bm — адиабатное расширение рабочего тела в газовой турбине;

ma — отвод тепла q3 при P=const.

Рис. 2 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме P-V

Как видно из рисунка, полезная работа в комбинированном двигателе при прочих равных условиях больше полезной работы цикла поршневого двигателя на величину, определяемую площадью bma. Поскольку количество подведенного тепла считается неизменным, следовательно, полезная работа увеличена за счет уменьшения количества отводимого тепла. Это видно на следующем рисунке, где уменьшение отведенного тепла по сравнению с циклом поршневого двигателя определяется заштрихованной площадью bma.

Рис. 3 Цикл комбинированного двигателя на диаграмме T-S

Определим термический КПД идеального цикла комбинированного двигателя. Для этого обозначим:

δ’ = Vm / Vz — суммарная степень последующего расширения в цилиндре и в турбине;
Δδ = Vm / Vb — увеличение степени последующего расширения.

Остальные обозначения — те же, что и в циклах поршневых ДВС. Тогда:

ηt=1q3/q1+q2.

Так как:

q1=CvTz1Tc;q2=CpTzTz1;q3=CpTmTa.

Температуры определяются равенствами:

Tc=Taεk1;Tz1=Tcλ=Taεk1λ;Tz=Tz1ρ=Taεk1λρ;Tb=TzVz/Vbk1=Taλρκ;Tm=TbVb/Vmk1=Taλρκ1/δκ1.

Тогда:

ηt=1CpTaλρκ1/δκ11CvTaεk1λεk1+CpTaεk1λρεκ1.

Учитывая, что Cp/Cv = k, и выполнив алгебраические преобразования, окончательно получим:

ηt=11εκ1 kλρk1/δk11λ1+κλp1.

Из этого равенства видно, что термический КПД комбинированного двигателя зависит от тех же факторов, что и цикл поршневого двигателя. Влияние дополнительного расширения в турбине проявляется через Δδ — поскольку Vm / Vb всегда больше I, то любое увеличение степени последующего расширения в турбине приводит к уменьшению числителя правой части равенства (2) и к соответствующему увеличению термического КПД цикла.

С другой стороны, можно написать:

Tm=Tz1/δk1=Taλεk1ρ1/δk1.

Подставив Tm в исходные зависимости и выполнив соответствующие преобразования, можно найти:

ηt=11εk1 kρλ1/k1λ1+κλp1.

Эта формула проще, чем (2). Из нее явно видно, как и для цикла поршневого двигателя, увеличение КПД с возрастанием ε. Однако влияние на ηt дополнительного превращения в полезную работу тепла в комбинированном двигателе учитывается в неявной форме.

Рекомендуется к прочтению:

Последовательно-параллельный комбинированный наддув

Последовательный комбинированный наддув

Февраль, 16, 2015 269 0
Читайте также