• Podstawowe parametry termodynamiczne2Podstawowe parametry termodynamiczne

• Bilans energetyczny silnika tłokowego3Bilans energetyczny silnika tłokowego

• Silniki turbinowe4Silniki turbinowe

• Obieg teoretyczny5Obieg teoretyczny

Podstawowe parametry termodynamiczne

Podstawowymi parametrami termodynamicznymi branymi pod uwagę w badaniach silników spalinowych są: ciśnienie, objętość oraz temperatura. Wszystkie trzy nazywamy rozkładem pVT.

Do modelowania i projektowania silników spalinowych wykorzystuje się tzw. obiegi teoretyczne, których celem jest przedstawienie idealnego przebiegu zachodzącej w silniku przemiany energii cieplnej na mechaniczną. Pełnią one funkcję porównawczą w stosunku do wyników pomiarów uzyskiwanych w trakcie badań konkretnych modeli silników, których rezultaty nazywamy obiegami rzeczywistymi. Wykresy obiegów rzeczywistych znacznie różnią się od wykresów obiegów porównawczych przedstawiających przebieg zmian w cylindrze z powodu strat ciepła w cylindrze, dławienia gazów, powolnego i niezupełnego spalania mieszanki, szkodliwego wpływu spalin pozostających w cylindrze, a także nieszczelności tłoka lub zaworów.

RthARi5vIMliF

Ilustracja przedstawia na wykresie czterosuwowy cykl pracy silnika spalinowego, czyli tak zwany cykl otta. Podczas tego cyklu najpierw zachodzi sprężanie, w którym zwiększa się ciśnienie a objętość maleje. W tym suwie praca idzie do silnika. Następnie ma miejsce zapłon mieszanki podczas którego gwałtownie rośnie ciśnienie przy stałej objętości. Ciepło dostarczane jest wtedy do silnika. Dalej następuje rozprężenie czyli rośnie objętość a ciśnienie maleje. Praca idzie od silnika. Na końcu jest wydech spalin przy stałej objętości ale zmniejszającym się ciśnieniu. Ciepło wydostaje się z silnika. Następnie cały proces powtarza się.

Cykl Otta jest obiegiem porównawczym tłokowych silników spalinowych z zapłonem iskrowym oraz gaźnikiem.

W rzeczywistych silnikach pracujących według cyklu Otta obieg pracy wygląda w ten sposób, że do cylindra zostaje zassana mieszanka paliwowa (suw ssania), którą następnie spręża tłok. Przemiana ta jest zaznaczona linią niebieską pomiędzy punktami 1‑2  i jest nazywana przemianą izentropowe sprężanie

W punkcie drugim iskra zapala sprężoną mieszankę, która spala się powodując wzrost ciśnienia przy stałej objętości, czyli tak szybko, że tłok nie zdąży się odsunąć od $\text{GMP}$. Przemiana ta jest zaznaczona linią pomarańczową pomiędzy punktami 2‑3 i jest nazywana jako izochoryczne doprowadzanie ciepła.

W punkcie trzecim  spaliny rozprężają się  tworząc na powierzchni tłoka siłę przesuwając go do najniższego położenia tłoka zwanego dolnego martwego położenia DMP  wykonują przy tym pracę mechaniczną. Przemiana ta jest oznaczona żółtą linia pomiędzy punktami 3‑4 i jest nazywana jako izentropowe rozprężanie

W punkcie 4 tłok przesuwa się do górnego położenia oraz otwiera się zawór wylotowy umożliwiając opuszczenie spalin z komory spalania (cylindra ). Przemiana ta jest oznaczona linią zieloną pomiędzy punktami 4‑1 i jest nazywana jako izochoryczne odprowadzenie ciepła.

R1UgQQdETYNRo

Ilustracja przedstawia na wykresie czterosuwowy cykl pracy silnika spalinowego, czyli tak zwany cykl otta. Najpierw zachodzi sprężanie, w którym zwiększa się ciśnienie a objętość maleje, następnie jest zapłon podczas którego gwałtownie rośnie ciśnienie przy stałej objętości. Dalej występuje rozprężenie, czyli rośnie objętość, a ciśnienie maleje. Na końcu następuje wydech spalin przy stałej objętości ale zmniejszającym się ciśnieniu. Cały proces jest powtarzany w ten sam sposób.

Przyglądając się wykresom przedstawiającym rozkład ciśnień w cylindrach, można zauważyć, że  silniki o zapłonie iskrowym cechują się mniejszymi wartościami ciśnienia dla przemiany  izochorycznej doprowadzania ciepła niż w przypadku silnika o zapłonie samoczynnym.

Powrót na górę strony1Powrót na górę strony

Bilans energetyczny silnika tłokowego

Rozważając osiągi silników tłokowych i turbinowych, należy odwołać się do ich konstrukcji oraz specyficznych warunków, w jakich pracują. Niektóre parametry są wspólne, jednak należy mieć na uwadze, że ich wartości będą się różniły w zależności od typu silnika.

R14UG5WkA3tk7

Rozkład energii wytwarzanej z paliwa

Rozkład energii wytwarzanej z paliwa (procesy zachodzą jednocześnie):

• napęd agregatów pomocniczych;

• praca użyteczna;

• straty:

  • chłodzenie,

  • ogrzanie spalin,

  • spalanie niezupełne,

  • tarcie,

  • przepływ gazów.

Głównym parametrem jest moc silnika wyrażana w kilowatach $\left[\text{kW}\right]$ lub koniach mechanicznych $\left[\text{KM}\right]$, gdzie:

$1\ \text{kW}=1,36\ \text{KM}$.

Moc użyteczna silnika jest różnicą mocy indykowanej oraz mocy oporów mechanicznych. W lotniczych silnikach tłokowych moc użyteczna jest o około $15-20\%$ mniejsza od mocy indykowanej, czyli mocy wytworzonej wewnątrz cylindrów. Przyjmuje się, iż moc silnika zwiększa się wraz ze wzrostem: objętości skokowej, prędkości obrotowej, liczby cylindrów, temperatury silnika oraz stopnia sprężania.

Pomiaru mocy użytecznej dokonuje się na wale korbowym lub na wale reduktora śmigła.

RKjmfaC8fd6hu

Ilustracja przedstawia wykres bilansu energetycznego silnika tłokowego. Na górze ilustracji pokazany jest schemat przekroju silnika z zaznaczonym wlotem powietrza. W dolnej części ilustracji, po lewej stronie jest tabelka z trzema kolumnami: temperaturą w stopniach Celsjusza, stopami na sekundę i funtami nacisku na cal kwadratowy. Również na dole, po prawej stronie ilustracji, znajduje się wykres, na którym zaznaczone jest całkowite ciśnienie, temperatura prędkość osiowa oraz temperatura płomienia.

Następnym ważnym parametrem osiągów silnika samolotu jest moment obrotowy silnika, który jest miernikiem zdolności silnika do pokonania oporów przeciwdziałających obracaniu się jego wału przy danej prędkości obrotowej. Jednostką miary jest niutonometr $\left[\text{Nm}\right]$.

Moment obrotowy silnika jest iloczynem wartości siły pochodzącej od ciśnienia gazów działających na tłok oraz długości wykorbienia wału korbowego. Wykorbienie dla silnika o danej pojemności skokowej ma wartość stałą, więc wartość liczbowa momentu obrotowego jest zależna od wielkości siły działającej na tłok. Moment obrotowy osiąga maksimum przy prędkości obrotowej równej około $0,5-0,6$ wartości znamionowej prędkości obrotowej silnika.

Prędkość obrotowa silnika wyrażana jest w ilości obrotów wału korbowego na minutę. Moc silnika wzrasta wraz ze wzrostem prędkości obrotowej, ponieważ przy wyższych obrotach rośnie liczba cykli pracy wykonywanej przez silnik w jednostce czasu.

Prędkość obrotowa jest ograniczona wytrzymałością materiałów poszczególnych elementów silnika oraz zjawiskami termodynamicznymi, które w nim zachodzą.

Prędkość obrotowa współczesnych lotniczych silników tłokowych zawiera się w granicach $2300-3500$ obrotów na minutę.

Kolejnym istotnym parametrem rozważanym w ramach dyskusji nad osiągami silnika jest jego sprawność. Sprawność silnika wyrażona jest stosunkiem oddanej energii (czyli mocy na wale korbowym) do energii pobranej (a więc spalonej w cylindrach).

R1RSetdARDalT

wzór w ramce. sprawność równa się energia oddana w postaci pracy mechanicznej podzielić na energię dostarczoną w paliwie

Sprawność lotniczych silników tłokowych wynosi około $30-40\%$. Zatem, tylko około $\frac{1}{3}$ energii dostarczonej w paliwie przetwarzana jest na pracę użyteczną, czyli możliwą do wykorzystania do napędu statku powietrznego. Reszta to niestety straty.

Stopień sprężania informuje o sile sprężania mieszanki, czyli ile razy zmniejsza się objętość nad tłokiem w GMP w komorze spalania w czasie sprężania w stosunku do całkowitej objętości cylindra.

RKDo9Qd506f2J

wzór w ramce. stopień sprężania równa się objętość całkowita cylindra podzielić na objętość komory spalania

Stopień sprężania w silnikach lotniczych z zapłonem iskrowym (ZI) wynosi od $6$ do $10$. W przypadku silników z zapłonem samoczynnym (ZS), stopień ten musi być znacznie większy, aby sprężone powietrze osiągnęło odpowiednią temperaturę do zapłonu wtryskiwanego paliwa i wynosi on wówczas $13-22$.

Ciśnienie użyteczne gazów w cylindrze to ciśnienie powstałe w komorze spalania podczas spalania mieszanki paliwowo‑powietrznej działające na tłok i powodujące jego ruch w dół; z GMP to DMP. W tłokowych silnikach lotniczych wynosi ono średnio:

• silniki bez doładowania: $885-1078\ \frac{\text{kN}}{\text m^2}$,

• silniki z doładowaniem: $1178-1960\ \frac{\text{kN}}{\text m^2}$.

Powrót na górę strony1Powrót na górę strony

Silniki turbinowe

Rozważając współczesne silniki turbinowe o skomplikowanej konstrukcji, analiza parametrów określających osiągi silnika turbinowego jest bardziej skomplikowana, aniżeli ma to miejsce w przypadku silników tłokowych.

Silniki turbinowe są podatne na uszkodzenia ze względu na bardzo wysokie obciążenia mechaniczne i cieplne konstrukcji.

Przyjrzyjmy się tylko niektórym parametrom pracy lotniczych silników turbinowych:

• maksymalne prędkości obrotowe wirników osiągają od około $8500 \frac{\text{obr}}{\text{min}}$ dla dużych silników (Rolls‑Royce Olympus 535) i sięgają do $52000 \frac{\text{obr}}{\text{min}}$ dla niewielkich silników śmigłowcowych (Allison 250‑C20),

• maksymalna temperatura spalin osiąga $1800 \mathrm{K}$,

• ciśnienie spalin w komorze spalania przekracza $40$ barów,

• wysokie obciążenie cieplne komory spalania, np. energia zawarta w strumieniu spalin opuszczających komorę spalania (niewielkiego) silnika odrzutowego K‑15 na zakresie startowym, sięga $30 \mathrm{MW}$, a moc przekazywana z turbiny do sprężarki tego silnika wynosi około $4,5 \mathrm{MW}$.

W przypadku silników turbinowych, z uwagi na jego konstrukcję oraz zasadę działania, niezwykle istotnym parametrem definiującym osiągi silnika jest współczynnik sprężenia. Wydajność silnika uzależniona jest od temperatury gazów wydechowych — im wyższa temperatura, tym większa energia pozyskana z paliwa. W dużym uproszczeniu: stosunek objętości gazu pobranego do objętości gazu po spaleniu stanowi współczynnik sprężania.

Pierwsze silniki odrzutowe miały współczynnik sprężania na poziomie $5:1$. Dzięki rozwojowi konstrukcji i technologii współczesne silniki działają przy współczynniku sprężania $44:1$ (silnik Rolls‑Royce Trent).

Nie bez znaczenia jest również rodzaj zastosowanej sprężarki w silniku turbinowym. Przyrost ciśnienia jaki można uzyskać na jednym stopniu sprężarki osiowej jest dużo mniejszy niż na jednym wirniku sprężarki odśrodkowej. Oznacza to, że dla uzyskania takiego samego ciśnienia, sprężarka osiowa wymaga wielu stopni. Dzięki zamontowaniu wielu stopni, sprężarka osiowa osiąga bardzo duże przyrosty ciśnienia, co jest nieosiągalne dla sprężarek odśrodkowych. Sprężarka zużywa $60-65\%$ mocy generowanej przez silnik.

Temperatura gazów determinuje ciąg silnika. W wyniku sprężenia powietrze zostaje podgrzane do temperatury $200-550^\circ\text C$. Konieczny przyrost temperatury przy spalaniu wynosi $650-1150^\circ\text C$. Temperatura gazów po spaleniu wynosi $1800-2000^\circ\text C$. Jest to zbyt duża wartość dla łopatek turbiny. Dlatego też powietrze wtórne, czyli takie, które nie bierze udziału w spalaniu, wtłacza się do rur ogniowych. Około $\frac{1}{3}$ powietrza wtórnego wykorzystywana jest do obniżenia temperatury wewnątrz komory spalania, a pozostała część chłodzi ścianki rury ogniowej.

Powrót na górę strony1Powrót na górę strony

Obieg teoretyczny

Obiegiem teoretycznym wykorzystywanym w przypadku silników turbinowych jest cykl Brytona-Joule’a. Jest to obieg porównawczy dla turbin gazowych.

R1UHDOTOBxcG1

Ilustracja przedstawia dwa wykresy cyklu Brytona–Joule’a. Pierwszy przedstawia zależność między ciśnieniem a objętością. Najpierw zachodzi etap sprężania w sprężarce, podczas którego objętość maleje przy szybkim wzroście ciśnienia. Następnie jest etap spalania paliwa w komorze spalania, przy stałym ciśnieniu i zwiększającej się objętości, gdzie ciepło jest dostarczane do silnika. Dalej następuje etap rozprężania, podczas którego objętość rośnie a ciśnienie maleje. Ostatnim etapem cyklu jest wydech podczas którego ciśnienie się nie zmienia a objętość maleje, natomiast ciepło jest wydalane z silnika. Drugi wykres przedstawia ten sam cykl jednak w zależności między temperaturą a entropią. Tak jak poprzednio, pierwszym etapem jest sprężanie, podczas którego temperatura się zwiększa entropia się nie zmienia. Kolejnym etapem jest zapłon w którym entropia rośnie gwałtownie wraz z temperaturą, a ciepło jest dostarczane do silnika. Następnie zachodzi rozprężenie przy stałej entropii i zmniejszającej się temperaturze. Na końcu jest etap wydechu, podczas którego entropia maleje wraz z temperaturą, a ciepło jest wydalane z silnika. Dodatkowo na ilustracji znajduje się również prosty schemat przedstawiający wszystkie cztery etapy cyklu. Pierwszy jest etap sprężania. Powietrze dostaje się do sprężarki. Następnie zachodzi etap zapłonu. Powietrze dostaje się do komory spalania, gdzie dodawane jest paliwo, po czym zachodzi zapłon mieszanki. Trzeci etap to rozprężanie. Ogrzane gazy przechodzą przez turbinę oraz dyszę by na końcu, w etapie wydechu, wydostać się z silnika.

Przyglądając się wykresom schematycznym, możemy wyróżnić następujące etapy cyklu:

• linia łącząca punkty $1$ i $2$ to etap sprężenia realizowany w sprężarce turbiny,

• linia łącząca punkty $2$ i $3$ to etap spalania paliwa w komorze spalania,

• linia łącząca punkty $3$ i $4$ to etap rozprężenia realizowany w turbinie,

• linia łącząca punkty $4$ i $1$ to etap chłodzenia realizowany zwykle poprzez wydalenie gorącego czynnika po rozprężeniu w turbinie i zassanie zimnego powietrza z otoczenia.

Praca obiegu Brytona-Joule’a zależy od sprężu i stopnia podgrzania strumienia. Natomiast sprawność obiegu zależy tylko od sprężu i jest tym bliższa jedności, im większy jest spręż obiegu.

Analizując założenia teoretyczne tego obiegu, należy pamiętać, że ciąg jednostkowy jest proporcjonalny do zmian pracy obiegu. Natomiast jednostkowe zużycie paliwa jest odwrotnie proporcjonalne do zmian sprawności obiegu.

W obiegu rzeczywistym występują straty w postaci tarcia wewnętrznego w procesach sprężania i rozprężania, a także straty spowodowane zmianą ciśnienia w procesach ogrzewania i chłodzenia czynnika.

Ry1313KaTuV2I

Ilustracja przedstawia układ współrzędnych z poziomą osią S i z pionową osią T. Obie osie mają tylko wartości dodatnie i przedstawiają pierwszą ćwiartkę układu. Na płaszczyźnie naniesiono dwa wykresy oraz linie pomocnicze. Oba wykresy mają kształt łuku o początku leżącym do pionowej osi T i biegną w górę. Oba są podobnie wybrzuszone w dół, leżą jedne nad drugim i nie posiadają punktów wspólnych. Wykres leżący niżej rośnie wolniej. Opisano go jako p 1; wykres nad nim to wykres p dwa. Na wykresie p 1 zaznaczono punkt opisany jako 1 - leży blisko początku układu współrzędnych, oraz punkt 4, który leży na prawo i wyżej od punktu jeden. Oba punkty połączono grubszą linią. Na wysokości punktu 1 naniesiono poziomą kreskę, którą oznaczono wartość drugiej współrzędnej punktu i podpisano ją na osi pionowej. Wartość ta to T jeden. Na wyżej leżącym wykresie p 2 zaznaczono również dwa punkty. Punkt 2 nad punktem 1 i punkt 3 nad punktem cztery. Punkty 2 i 3 połączono grubszą linią w kształcie łuku. Punkty 1 i 2 oraz 3 i 4 połączono pionowymi grubszymi liniami. Punkt podobnie jak punkt 1 zrzutowano na oś pionową i oznaczono wartość jego drugiej współrzędnej jako T trzy. Najniżej położony jest punkt 1 leżący na wysokości T 1, a najwyżej punkt 3 leżący na wysokości T trzy.

RobuPHmstghO4

Ilustracja przedstawia układ współrzędnych z pionową osią P oraz poziomą Osią H. Obie te osi mają tylko wartości dodatnie. Na płaszczyźnie naniesiono dwa wykresy oraz linie pomocnicze. Nad płaszczyzną znajduję się przekrój wnętrza silnika turbinowego Na osi H znajduję się punkty od jeden do pięć. Wykres Th jest stały w przedziale od 0 do 1. W przedziale od jeden do trzech rośnie. W przedziale od trzech do pięciu wykres maleje. Wykres Ph jest stały w przedziale od 0 do 1 oraz od 2 do 3. W przedziale od jeden do dwóch rośnie. W przedziale od trzech do pięciu wykres maleje. Dla argumentu jeden wychodzi linia która odpowiada kompresorowi. Dla argumentu dwa wychodzi linia pomocnicza która odpowiada komorze spalania. Dla argumentu trzy wychodzi linia pomocnicza która odpowiada turbinie. Dla argumentu cztery wychodzi linia pomocnicza która odpowiada wałkowi. Dla argumentu pięć wychodzi linia pomocnicza która odpowiada dyszy.Od każdego argumentu wychodzi linia pomocnicza która odpowiada danemu elementowi budowy silnika.

Powrót na górę strony1Powrót na górę strony

Powrót do spisu treściDHSY7KA4MPowrót do spisu treści