1. Процесс сжатия воздуха

Для работы турбореактивного двигателя необходима непрерывная подача сжатого воздуха в камеры сгорания. Сжатие воздуха в этих типах двигателей происходит в специальных лопаточных машинах — компрессорах.

Лопаточными машинами компрессоры называются потому, что рабочими элементами в них являются лопатки. Компрессор турбореактивного двигателя приводится во вра­щение газовой турбиной.

При сжатии воздуха температура его повышается на 100—200° С.

В сжатом и подогретом воздухе топливо хорошо испаряется, быстро и полностью сгорает.

На современных турбореактивных двигателях применяются два типа компрессоров: центробежные и осевые. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.

Степень сжатия

Главной величиной, характеризующей компрессор турбо­реактивного двигателя, является степень повышения давления воздуха в компрессоре, называемая еще степенью сжатия; обозначают ее греческой буквой “эпсилон” — ε.

Степень сжатия компрессора — это отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе в него:

Где Р₂ – давление на выходе компрессора, Р₁ – давление на входе компрессора.

Степень сжатии — величина безразмерная, она показы­вает, во сколько раз повышается давление воздуха в ком­прессоре по сравнению с давлением воздуха перед ним.

Если взять отношение давления воздуха за компрессором к давлению воздуха, окружающего двигатель, то получим степень сжатия двигателя:

Где Р₀ – давление атмосферного воздуха.

Чтобы представить себе разницу между этими двумя величинами, подсчитаем их для следующих условий: — ско­рость полета с₀ = 0; давление окружающего воздуха Р_О

= 1,033 кг/см²; давление перед компрессором Р₁ = 0,92 кг/см²; давление за компрессором Р₂ = 4,35 кг/см². Тогда:

Как видно, ε_ДВИГ меньше ε_КОМП.

Для современных ТРД величина степени сжатия ком­прессора лежит в пределах от 4,2 до 7,1 (иногда 8).

Степень сжатия двигателя зависит от скорости вращения колеса (ротора) компрессора, от высоты полета (от темпе­ратуры окружающего воздуха) и от скорости полета.

С увеличением скорости вращения колеса компрессора степень сжатия компрессора увеличивается.

В осевом компрессоре с увеличением числа его оборо­тов окружная скорость движения лопаток растет. Вслед­ствие этого увеличиваются силы, сжимающие воздух, и, сле­довательно, давление воздуха, выходящего из компрес­сора.

Так как давление воздуха на входе в компрессор остается постоянным (оно не зависит от скорости вращения колеса компрессора), то степень сжатия компрессора увеличивается.

В центробежном компрессоре с увеличением числа его оборотов растет окружная скорость колеса компрессора. Вследствие этого увеличиваются центробежные силы, сжи­мающие воздух, и, следовательно, давление воздуха, выхо­дящего из компрессора. В результате степень сжатия ком­прессора увеличивается.

Вход воздуха в двигатель

Имея общее представление о работе турбореактивного двигателя и процессах, которые происходят в воздушно-газовом потоке, протекающей через двигатель, рассмотрим теперь более подробно работу отдельных элементов ТРД и процессы, происходящие в них.

Воздухоподводящие или входные каналы служат для подвода воздуха к компрессору с возможно меньшими поте­рями.

Входной канал является частью конструкции самолета или образуется обводами капотов двигателя и самого дви­гателя.

Изменение параметров воздуха во входном канале будет различно в зависимости от условий работы двигателя: на месте или в полете.

Поэтому рассмотрим отдельно эти два случая.

А. Двигатель работает на месте (скорость полета с₀ = 0)

При работе двигателя на месте компрессор засасывает воздух из окружающей атмосферы. Скорость воздушного потока при подходе к двигателю возрастает от нуля у невозмущенного воздуха впереди двигателя (сечение 0-0

) до скорости с₁ на входе в компрессор (сечение 1-1, рис. 1).

Для различных турбореактивных двигателей величина скорости с₁ лежит в пределах от 70 до 180 м/сек.

Как показывает опыт, температура и давление воздуха во входном канале падают.

Чтобы понять, почему это происходит, напишем уравне­ние энергии движущегося потока воздуха для сечений 0-0 и 1-1

Где k – показатель адиабаты, R – газовая постоянная, g – ускорение свободного падения.

Так как двигатель работает на месте (неподвижен), то скорость с₀ = 0. В этом случае уравнение энергии будет:

Подставив в последнее уравнение численное значение

k, g, R, определим температуру Т_1.. Она будет равна:

Из уравнения видно, что температура воздуха на входе в компрессорТ₁ должна быть ниже, чем температура окру­жающего воздуха Т₀. Для существующих ТРД это падение температуры составляет 8—10°. Разделив все члены этого уравнения на Т₀, получим:

Рис.1 Изменение параметров воздуха при работе двигателя на месте.

Заменим отношение температур отношением давлений (считая процесс адиабатическим) и опреде­лим давление воздуха на входе в компрессор:

Так как с₁ = 70-180 м/сек, то численная величина ква­дратной скобки будет меньше единицы.

Следовательно, дав­ление на входе в компрессор Р₁ будет меньше давления окружающего воздуха Р₀. Для выполненных ТРД падение давления во входном канале составляет 0,1-0,16 кг/см^г.

Степень сжатия и наддува

Прежде чем обсуждать степень сжатия и наддув, важно понять, что такое толчки в двигателе, также известные как детонация. Детонация — опасное явление, вызванное неконтролируемым сгоранием смеси из воздуха и топлива. Аномально быстрое сгорание вызывает скачки давления в цилиндрах, которые могут привести к повреждению двигателя.

 

Тремя основными факторами, влияющими на детонацию в цилиндрах, являются:

1. Характеристики детонационной стойкости (предел детонации) двигателя: Поскольку каждый двигатель обладает своими особенностями, когда дело доходит до детонационной стойкости, единого ответа на вопрос “сколько” нет. Конструктивные особенности, такие как геометрия камеры сгорания, расположение свечи зажигания, размер отверстия и степень сжатия, влияют на предрасположенность двигателя к детонации.

2. Условия окружающего воздуха: При использовании турбонагнетателя как условия окружающего воздуха, так и условия на входе в двигатель влияют на максимальную мощность наддува. Горячий воздух и высокое давление в цилиндре повышают склонность двигателя к детонации. При форсировании двигателя температура всасываемого воздуха повышается, что увеличивает вероятность детонации. Охлаждение наддувочного воздуха (например, посредством интеркулера) решает эту проблему путем охлаждения сжатого воздуха, поставляемого турбонагнетателем

3. Октановое число используемого топлива: октановое число — это показатель способности топлива противостоять детонации. Октановое число для насосного газа колеблется от 85 до 94, в то время как гоночное топливо будет значительно выше 100. Чем выше октановое число топлива, тем оно более устойчиво к детонации. Поскольку детонация может привести к повреждению двигателя, важно использовать топливо с достаточным октановым числом. Вообще говоря, чем сильнее наддув, тем выше требование к октановому числу.

Что невозможно переоценить, это калибровка двигателя по топливу и искре. Она играет огромную роль в определении поведения двигателя при детонации. Более подробную информацию см. в Разделе 5 ниже.

Теперь, когда мы представили суть детонации в двигателе, а также факторы и способы снижения вероятности детонации, давайте поговорим о степени сжатия. Степень сжатия определяется следующим образом:

Степень сжатия, полученная на заводе, будет отличаться для двигателей с наддувом и форсированными двигателями. Например, стандартная Honda S2000 имеет степень сжатия 11,1:1, в то время как Subaru Impreza WRX с турбонаддувом имеет степень сжатия 8,0:1.

Существует множество факторов, влияющих на максимально допустимую степень сжатия. Единого правильного ответа для всех автомобилей не существует. Как правило, степень сжатия должна быть установлена настолько высокой, насколько это возможно, без детонации при максимальной нагрузке. Слишком низкая степень сжатия приведет к тому, что двигатель будет слишком вялым при работе без наддува. Однако, если он слишком высок, это может привести к серьезным проблемам с двигателем, связанным с детонацией.

Факторы, влияющие на степень сжатия, включают: антидетонационные свойства топлива (октановое число), давление наддува, температуру впускного воздуха, конструкцию камеры сгорания, время зажигания, калибровка клапанов и противодавление выхлопных газов. Многие современные двигатели с нормальным наддувом имеют хорошо спроектированные камеры сгорания, которые при соответствующей настройке позволят обеспечить умеренный уровень наддува без изменения степени сжатия. Для целей с более высокой мощностью и большим повышением степень сжатия должна быть скорректирована.

Существует несколько способов уменьшить степень сжатия, некоторые из которых предпочтительнее, чем другие. Наименее желательным является добавление прокладки между блоком и головкой. Эти распорки уменьшают количество “гашения”, предназначенное для камер сгорания двигателя, а также могут изменять время работы кулачков. Распорки, однако, относительно просты и недороги.

Лучшим вариантом, если установка более дорогостоящая и трудоемкая, является использование поршней с меньшим сжатием. Это не окажет негативного влияния на время работы кулачка или способность головки герметизировать и позволит надлежащим образом гасить области детонации в камерах сгорания.

У вас нет прав, чтобы отправлять комментарии

Почему степень сжатия имеет значение — Школа HVAC

В HVAC/R мы занимаемся перемещением БТЕ тепла, и мы перемещаем БТЕ с помощью фунтов хладагента. Чем больше фунтов мы перемещаем, тем больше БТЕ мы перемещаем.

В одноступенчатом компрессоре HVAC/R камера сжатия поддерживает одинаковый объем независимо от степени сжатия. Меняется только количество фунтов хладагента, перемещаемых при каждом ходе (поступательно), колебательном (прокручивающемся) или вращении (винтовом, ротационном) компрессора. Если компрессор работает правильно, более высокая степень сжатия приводит к перемещению меньшего количества хладагента. Чем ниже степень сжатия, тем больше килограммов перемещается.

В кондиционерах и холодильных установках степень сжатия — это просто абсолютное давление на выходе из компрессора, деленное на абсолютное давление всасывания на входе в компрессор.

Абсолютное давление — это просто манометрическое давление + атмосферное давление. Обычно мы просто добавляем атмосферное давление на уровне моря (14,7 фунтов на квадратный дюйм) к давлению всасывания и нагнетанию, а затем делим давление нагнетания на всасывание. Например, обычная степень сжатия в системе R22 может выглядеть так:

240 PSIG нагнетание + 14,7 PSIA = 254,7

75 PSIG нагнетание + 14,7 = 89,7 PSIA
254,7 PSIA нагнетание ÷ 89,7 PSIA всасывание = 2,84:1 Коэффициент сжатия Однако, как правило, в условиях, близких к проектным, вы увидите следующие степени сжатия на правильно работающем оборудовании в зависимости от эффективности и условий конкретной системы:

• В системах кондиционирования воздуха степень сжатия от 2,3:1 до 3,5:1 являются обычными, с соотношениями ниже 3:1 и выше 2:1 в качестве стандарта для современного высокоэффективного оборудования для кондиционирования воздуха.
• В среднетемпературном охлаждении (холодильнике) 404a 3,0:1 – 5,5:1   является обычным диапазоном соотношения.
• В типичном применении морозильной камеры 404a от 0°F до -10°F, 6,0:1 – 13,0:1 является обычным диапазоном соотношения.

По мере того, как оборудование становится все более и более эффективным, производители разрабатывают системы с все более низкими коэффициентами сжатия за счет использования более крупных змеевиков и меньших компрессоров.

Почему значение степени сжатия имеет значение?

Когда компрессор работает правильно, чем ниже будет степень сжатия, тем эффективнее и холоднее будет работать компрессор. Таким образом, цель инженера производителя, системного проектировщика, специалиста по обслуживанию и монтажника должна заключаться в поддержании минимально возможной степени сжатия при одновременном перемещении необходимого количества фунтов хладагента для достижения требуемой производительности в БТЕ.

Коэффициент сжатия также можно использовать в качестве диагностического инструмента для анализа того, обеспечивает ли компрессор надлежащее сжатие. Очень низкие коэффициенты сжатия в сочетании с низкой силой тока и низкой производительностью указывают на проблемы с механическим компрессором.

Степень сжатия выше проектной = перегрев компрессора, выход масла из строя, высокое энергопотребление, низкая производительность0019

Понимание компрессии имеет решающее значение для понимания процесса охлаждения. Не поддавайтесь искушению пропустить это; это жизненно важная концепция.

Посмотрите на приведенную выше диаграмму энтальпии давления. Сверху вниз (по вертикали) — шкала давления хладагента; высокое давление выше на графике. По горизонтали (слева направо) — шкала теплоемкости; чем дальше значение верно, тем больше тепла содержится в хладагенте (тепло, не обязательно температуры).

Начните с точки №2 на графике внизу справа. Здесь всасываемый газ поступает в компрессор. Когда он сжимается, он движется к точке № 3, которая находится вверху, потому что он сжимается (увеличивается давление), и вправо из-за теплоты сжатия (тепловая энергия добавляется в самом процессе сжатия). Также добавляется тепло, когда хладагент охлаждает обмотки двигателя компрессора.

Как только хладагент поступает в нагнетательный трубопровод в точке №3, он поступает в конденсатор и охлаждается (удаляется явное тепло). Этот перегрев нагнетания равен перегреву на всасывании + теплоте сжатия + теплоте, отводимой от обмоток двигателя. Как только весь перегрев нагнетания (физическое тепло) удаляется в первой части змеевика конденсатора, он достигает точки № 4 и начинает конденсироваться.

Точка № 4 является критической частью уравнения степени сжатия, поскольку компрессор вынужден создавать достаточно высокое давление, чтобы температура конденсации была выше температуры воздуха, в который конденсатор отводит свое тепло. Другими словами, в типичной системе кондиционирования воздуха с прямым охлаждением и воздушным охлаждением температура конденсации должна быть выше температуры наружного воздуха, чтобы тепло отводилось от хладагента и попадало в воздух, проходящий через конденсатор.

Если температура наружного воздуха высокая, или змеевики конденсатора загрязнены, лопасти неправильно отрегулированы, или змеевики конденсатора имеют недостаточный размер, точка 2 (температура конденсации) будет выше на графике. Таким образом, это увеличивает тепловую нагрузку на компрессор и снижает эффективность и мощность компрессора.

Когда хладагент превращается из парожидкостной смеси в полностью жидкую в конденсаторе, он перемещается справа налево между точками № 4 и № 5 по мере отвода тепла от хладагента в наружный воздух (на система воздушного охлаждения). Как только он достигает № 5, он полностью жидкий, а в точке № 6 он переохлаждается ниже точки насыщения, но ВЫШЕ температуры наружного воздуха. Затем измерительное устройство создает перепад давления, который отображается между точками №6 и №7. Чем больше падение, тем холоднее будет змеевик испарителя. Расчетная температура змеевика определяется требованиями охлаждаемого помещения и нагрузкой на змеевик, но чем НИЖЕ давление и температура испарителя, тем менее плотным будет пар в точке № 2 при повторном входе в компрессор. , и чем выше должна быть степень сжатия, чтобы накачать его до точки № 3 и № 4,

Чем больше расстояние по вертикали между точками #2 и #4, тем выше степень сжатия, а это означает, что низкое давление всасывания или высокое давление напора могут привести к более высокой степени сжатия, плохому охлаждению компрессора, снижению эффективности и производительности.

В некоторых случаях мы мало что можем сделать с высокой степенью сжатия. Когда клиент устанавливает свой кондиционер на 69 ° F (20,55 ° C) в 100 ° (37,77 ° C) в день, у него просто будет высокая степень сжатия. Когда низкотемпературный морозильник работает в очень жаркий день, он будет работать с высокой степенью сжатия.

Но во многих случаях степень сжатия можно уменьшить следующим образом:

• Поддержание заданных температур на уровне проектных температур для оборудования или выше. Не поддавайтесь искушению установить морозильную камеру с -10 ° F на -20 ° F или использовать этот кулер в качестве морозильной камеры.
• Содержите змеевики конденсатора в чистоте и не допускайте их засорения.
• Поддерживайте надлежащий поток воздуха в испарителе.
• Устанавливайте конденсаторы в затененных и хорошо проветриваемых местах.

Следите за степенью сжатия, и, возможно, вы сможете спасти компрессор от преждевременной смерти.

— Брайан

Изэнтропическое сжатие или расширение

Термодинамика — это раздел физики который имеет дело с энергией и работой системы. Термодинамика занимается только широкомасштабный ответ системы, которую мы можем наблюдать и измерять в опытах. В аэродинамике мы больше всего интересуется термодинамикой из-за той роли, которую она играет в конструкция двигателя а также потоки с высокой скоростью.

На этом слайде мы выводим два важных уравнения, которые связывают давление, температура, а также объем которое занимает газ при обратимом сжатии или расширении. Такой процесс происходит во время компрессия а также силовые удары для двигатель внутреннего сгорания.

Одни и те же уравнения описывают условия в компрессор а также турбина из газотурбинный двигатель. Например, двигатель внутреннего сгорания. мы показываем компьютерный чертеж одного цилиндр Райт 1903 двигатель вверху слева. Движение серого поршня внутри синего цилиндр поворачивает красную часть коленчатый вал который превращает пропеллеры для создания тяги. При движении поршня в цилиндре объем топливно-воздушной газовой смеси внутри цилиндра меняется. Это изменение объема приводит к изменению давление и температура газа, которые определяют, насколько Работа поршень может поставить.

При движении поршня будем считать, что нет нагревать переносится в цилиндр. Мы в дальнейшем будем пренебрегать любым трения между поршнем и цилиндром и считать, что нет потери энергии любого рода. (В реальности небольшие потери и мы учитывать потери с помощью «коэффициента эффективности», применяемого к результату получаем без потерь.) В результате сжатия и расширения

обратимые процессы в которой энтропия системы остается постоянной. Мы можем использовать уравнения для энтропии чтобы связать потоковые переменные системы.

Начнем наш вывод с определения значения фактора, который мы нужно позже. Из определений коэффициенты удельной теплоемкости, удельная теплоемкость при постоянном давлении сП минус удельная теплоемкость при постоянном объеме cv равна газовая постоянная R:

ср — ср = R

и мы определяем отношение удельных теплоемкостей как число, которое мы позвонит «гамма»

гамма = cp/cv

Если мы разделим первое уравнение на cp и воспользуемся определением «гамма» мы получаем:

R / cp = 1 — (1 / гамма) = (гамма — 1) / гамма

Теперь воспользуемся уравнением, которое мы вывели для энтропия газа:

s2 — s1 = cp ln(T2 / T1) — R ln(p2 / p1)

где цифры 1 и 2 обозначают состояния в начале и в конце процесс сжатия, с — энтропия, T — температура, p — давление, а «ln» обозначает натуральный логарифм функция. Так как в цилиндр не передается теплота и нет других потерь, изменение энтропии равно нулю. Тогда уравнение становится:

cp ln(T2 / T1) = R ln(p2 / p1)

Мы разделим обе части на «cp» и возьмем экспоненциальную функцию обе стороны (это «отменяет» логарифмы). 9[(гамма — 1)/гамма]

В процессе сжатия по мере увеличения давления от p1 до p2, температура увеличивается от T1 до T2 согласно этому экспоненциальному закону уравнение. «Гамма» — это просто число, которое зависит от газа. Для воздуха, на стандартные условия, это 1,4. Значение (1 — 1/гамма) составляет около 0,286. Таким образом, если давление увеличилось вдвое, отношение температур равно 1,219. Ключевым моментом здесь является то, что у нас есть функция, которая связывает температуру изменение на изменение давления в процессе сжатия. 9(гамма)

Количество (v1 / v2) является соотношение объема в состоянии 1 и состоянии 2 и называется степенью сжатия .