48618

РАСЧЕТ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Курсовая

Производство и промышленные технологии

РАСЧЕТ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ Вариант Выполнил: Вагапов Р. Цель работы: расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя. Результаты расчетов характеристик идеального цикла ГТД представлены в графической форме. 8 2 Расчет состава рабочего тела .

Русский

2013-12-12

817.5 KB

10 чел.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С. П. КОРОЛЕВА

Расчетно-пояснительная записка курсовой работе

РАСЧЕТ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Вариант 4

Выполнил: Вагапов Р. А. группа 2309

Проверил: Белозерцев В. Н.

Оценка:

Дата:

Самара 2008


Задание

Рассчитать идеальный цикл ГТД. Все необходимые данные приведены в таблицах 1, 2 и 3.

Таблица 1 - Исходные данные

Высота полета

Н, м

Число

М

Время

, ч

Температура

Т, К

Тяга двигателя

R, Н

7000

2,2

2

1550

5500

Таблица 2 - Международная стандартная атмосфера

Н, м

Т0 , К

р0 , Н/м 3

, кг/ м 3

10 5, Нс/ м 3

Содержание компонентов воздуха

N2

O2

CO2

H20

7000

242,7

41105

0,590

1,56

0,7753

0,2039

0,0059

0,0149

Таблица 3 - Физико-химические свойства керосина марки Т-1

Химическая

формула

Содержание серы и влаги, %

Плотность

при 20 С

Низшая теплотворная

способность HU , кДж/кг

C7,2 H13,3

0,005

0,775

43000

Изобарная теплоемкость при Т=0 С:            Изохорная теплоемкость при Т=0 С:

                                   

                                      

                                   

                                  


Реферат

Пояснительная записка: 27 стр.

Рисунков: 3

Таблиц: 8

Источников: 7

РАБОЧЕЕ ТЕЛО, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ПРОЦЕСС, ЦИКЛ, ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ, ЗАКОН ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА, ТЕПЛОТА, ВНУТРЕННЯ ЭНЕРГИЯ, РАБОТА, ТОПЛИВО, РАБОЧАЯ СМЕСЬ, ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ.

Цель работы: расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя.

В результате работы определены: параметры состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла газотурбинного двигателя, его энергетические показатели. Результаты расчетов характеристик идеального цикла ГТД представлены в графической форме.


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    7

1 Описание, конструкция и принцип работы ГТД .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 8

2 Расчет состава рабочего тела .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    9

3 Расчет оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД .  .11

4 Определение коэффициента избытка воздуха .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .       12

5 Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   13

6 Расчет основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД  .   16

7 Расчет калорических величин цикла ГТД

7.1 Изменения калорических величин в процессах цикла .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .    18

7.2 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    18

7.3 Расчет работы процессов и работы за цикл .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .     19

8 Расчет параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения

8.1 Расчет для процессов, изображаемых в P-V координатах .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    20

8.2 Расчет для процессов, изображаемых в T-V координатах .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  20

9 Построение идеального цикла в P-V и T-V координатах

9.1 Расчет для процессов, изображаемых в P-V координатах .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    22

9.2 Расчет для процессов, изображаемых в T-S координатах .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    23

10 Расчет энергетических характеристик ГТД .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .   24

Заключение .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  25

Список использованных источников .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .    26


Перечень условных обозначений, символов, сокращений единиц и терминов

Н - высота полета, м;

M - число Маха;

- время, ч;

Т - температура, К;

R - тяга двигателя, Н;

p - давление, Н/м 2;

- плотность, кг/м 3;

Нu - низшая теплотворная способность топлива, кДж/кг;

сp - изобарная теплоемкость, Дж/кгК;

сv - изохорная теплоемкость, Дж/кгК;

k - показатель адиабаты;

- коэффициент избытка воздуха;

- молярная масса, кг/кмоль;

Ri - газовая постоянная, Дж/кгК;

т - масса компонента, кг;

М - моли компонентов, кмоль;

g - массовые доли компонента;

r - мольные доли компонентов;

u - внутренняя энергия, Дж/кг;

h - энтальпия, Дж/кг;

s - энтропия, Дж/кгК;

q - теплота, Дж/кг;

l - работа, Дж;

- удельный объем, м 3/кг;

- изменение параметра;

t  - термический КПД, %;

с0 - скорость набегающего потока, м/с;

с5 - скорость истечения газа, м/с;

Gвозд - удельная тяга двигателя, м/с;

ц - цикл;

opt - оптимальный;

T - топливо;

рс - рабочая смесь;

i - номер компонента, процесса;

- параметр (характеристика) относится к воздуху;

  - параметр (характеристика) относится к продуктам сгорания.


Введение

Авиационные двигатели принадлежат к классу тепловых двигателей внутреннего сгорания, внутри которых происходит сжигание топлива и преобразование части выделив-шегося тепла в работу.

Данная работа посвящена расчету термодинамических параметров цикла ГТД для заданных условий работы: высоты полета, скорости, времени работы, температуры газов на выходе из сопла и требуемой тяги.


1 Описание, конструкция и принцип работы ГТД

Все ГТД имеют газогенератор, включающий в себя компрессор, камеру сгорания и газовую турбину (он называется также турбокомпрессором), преобразующий потенциальную энергию топлива в так называемую свободную энергию, которая затем с помощью специальных устройств преобразуется в тягу, или мощность.

                   1        2                     3           4          5        6

1 - входное устройство; 2 - компрессор; З - камера сгорания; 4 - газовая турбина;

5 - выходной канал; 6 - сопло.

Рисунок 1 - Устройство газотурбинного двигателя (на примере ТРД)

ТРД, изображенный на рисунке 1, имеет воздухозаборник, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину и выходное сопло. Набегающая струя воздуха, движущаяся со скоростью полета, тормозится в воздухозаборнике, где происходит предварительное сжатие воздуха, дальнейшее его сжатие осуществляется в компрессоре. Но на больших сверхзвуковых скоростях полета динамическое сжатие становится значительным, соизмеримым со всем повышением давления в двигателе.

Из компрессора воздух поступает в камеру сгорания, куда форсунками подается топливо и где происходит сгорание топливовоздушной смеси, сопровождающееся повышением температуры газа.

В турбине происходит расширение газов, преобразование потенциальной энергии их в механическую работу на валу, за счет которой приводятся компрессор и агрегаты двигателя. Окончательное расширение газа, увеличение скорости потока происходит в выходном сопле. Поскольку скорость на выходе из двигателя больше скорости полета самолета, в двигателе создается тяга.


2 Расчет состава рабочего тела

Определяются  удельные газовые постоянные для компонентов воздуха.

,                                                (2.1)

где   - изобарная теплоемкость;

- изохорная теплоемкость.

Для воздуха .

Определяются массовые доли компонентов воздуха.

,                                              (2.2)

где  - молярная масса компонента;

     - объемная доля компонента.

Определяются моли компонентов воздуха.

                                                (2.3)

Определяется изобарная теплоемкость для газовой смеси.

                                                (2.4)

Определяется изохорная теплоемкость для газовой смеси.

                                                (2.5)

Определяются газовые постоянные.


3 Расчет оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД

Для заданного числа М полета оптимальное значение можно получить аналитически из условия, что при его значении полезная работа цикла ГТД - наибольшая. Обычно решение сводится к отысканию максимума функции . Этот максимум в идеальном цикле достигается при значении , равном .

                                      (3.1)


4 Определение коэффициента избытка воздуха

Определение коэффициента избытка воздуха основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной.

Определяется коэффициент избытка воздуха.

                                       (4.1)

                                  (4.2)

Для расчета примем соотношение j для заданного вида топлива CnHm .

                                                 (4.3)

В данном случае используется керосин марки C7,2 H13,3 .

                                              (4.4)

                                        (4.5)


5 Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси

Определяются массы компонентов.

Определяются моли компонентов.

Определяются мольные доли компонентов.

, где                                      (5.1)

Определяются массовые доли компонентов.

, где                                        (5.2)

Определяется количество топлива, сгорающего в 1 кг воздуха.

                                           (5.3)

Определяется масса рабочей смеси.

,                                             (5.4)

где =1 кг

Определяются массовые доли рабочей смеси.

                                                (5.5)

Определяются теплоемкости рабочей смеси.

                                                (5.6)

                                                (5.7)

Определяются газовые постоянные.

Результаты расчетов приведены в таблице 4 и 5.

Таблица 4 - Состав рабочего тела ГТД

Характеристики

Компоненты

N2

O2

CO2

H2O

297

260

189

462

1039,2

915

814,8

1859,6

742,9

654,8

625,9

1398

32

28

44

18

mi , кг

Воздух

0,7548

0,2269

0,0090

0,0093

Прод. cг

0,7548

0,2042

0,0303

0,0137

Mi , кмоль

Воздух

0,0277

0,0064

0,00013

0,0008

Прод. cг

0,0277

0,0058

0,00057

0,00085

gi

Воздух

0,7548

0,2269

0,0090

0,0093

Прод. cг

0,7525

0,2036

0,0302

0,01366

ri

Воздух

0,7753

0,2039

0,0059

0,0149

Прод. cг

0,7937

0,1662

0,0163

0,0244

Таблица 5 - Характеристики рабочего тела в цикле ГТД

Рабочее тело

Характеристики

m, кг

Воздух

1016,6

727,5

289,1

1,4

1

Продукты сгорания

1018,3

729,9

288,4

1,397

1,0067


6 Расчет основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД

Точка 1. Процесс 0-1 - адиабатное сжатие воздуха в диффузоре.

                                           (6.1)

                                         (6.2)

                                            (6.3)

Точка 2. Процесс 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре.

                                         (6.4)

                                           (6.5)

Точка 3. Процесс 2-3 - изобарный подвод тепла в камере сгорания.

Степень повышения температуры:                                                      (6.6)

Точка 4. Процесс 3-4 - адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине.

                                        (6.7)

Точка 5. Процесс 4-5 - адиабатное расширение в реактивном сопле двигателя до давления окружающей среды .

                                            (6.8)


7 Расчет калорических величин цикла ГТД

7.1 Изменения калорических величин в процессах цикла

Определяется внутренняя энергия в процессе.

                                         (7.1)

Определяется энтальпия.

                                        (7.2)

Определяется энтропия.

                                    (7.3)

7.2 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл

7.3 Расчет работы процессов и работы за цикл

Определяется работа сжатия газа в диффузоре:

Определяется работа сжатия газа в компрессоре:

Определяется работа газа в турбине:

Определяется реактивного сопла:

Определяется работа цикла:

Результаты расчетов  приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Основные параметры состояния рабочего тела в узловых точках цикла, изменение калорических параметров в процессах и за весь цикл идеального ГТД

Значения

Точки

Для

цикла

0

1

2

3

4

5

pi , Па

41105

440705,1

1057692,2

1057692,2

765628,1

41105

___

i , м 3/кг

1,707

0,314

0,168

0,423

0,533

4,322

___

Тi , К

242,7

478

614

1550

1414

616

___

Значения

Процесс

Для

цикла

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-0

u , Дж/кг

171180,75

98940

683186,4

-99266,4

-582460,2

-271575,75

4,8

h , Дж/кг

239205,98

138257,6

953128,8

-138488,8

-812603,4

-379496,78

3,4

s ,Дж/кгK

0

0

942,96

0

0

-946,88

-3,92

qi , Дж/кг

0

0

953128,8

0

0

379496,8

573632

li , Дж/кг

-239205,98

-138257,6

0

138488,8

812603,4

0

573628,62


8 Расчет параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения

8.1 Расчет для процессов, изображаемых в p-v координатах

Определение значений параметров P-V в промежуточных точках процессов 1-2, 3-4 и 4-5 позволит построить достаточно точные графики. Поскольку процессы 1-2 и 3-4 адиабатные, то для любой пары точек на них справедливы соотношения:

; ; ; .

Задаваясь значениями параметров , , ,  и используя известные величины p1 , p4 , p5 , определяются неизвестные pa , pb , pc , pd .

Расчетные значения промежуточных точек процессов откладываются на графике P-V и через них проводится кривая процесса (рис. 2 п.9). Значения точек сводятся в таблицу 7.

8.2 Расчет для процессов, изображаемых в т-S координатах

Для построения цикла в T-S  координатах необходимо интервалы изменения температур от Т2 до Т3 и от Т5 до Т0 разбить на три примерно равные части. Для значений температур процессов  вычисляются соответствующие изменения энтропии рабочего тела в процессах  2-3 и 5-0.

Полученные изменения энтропии откладываются в принятом масштабе на T-S диаграмме и по выбранным значениям Т определяются координаты промежуточных точек процесса, через которые проводится плавная кривая (рис. 3). Значения точек также сводятся в таблицу 7.

Таблица 7 - Параметры состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов и изменение энтропии

Значения

Точки

a

b

c

d

p, Па

558863

739274,9

140278,1

66618

v, м 3/кг

0,265

0,217

1,796

3,059

T, K

926

1238

492

367

Значения

Процесс

2-a 1

2-b 1

0-c 1

0-d 1

s, Дж/кгК

417,7

712,9

719,6

412,1


9 Построение идеального цикла в p-v и T-s координатах

9.1 Расчет для процессов, изображаемых в p-v координатах.

    Рисунок 2 - Рабочая диаграмма цикла ГТД в p-v координатах

График используется для оценки равенства работы в идеальном цикле lрасч =lграф , найденных ранее расчетным путем и планиметрированием площади цикла.

где Sц - площадь цикла, найденная с помощью программы Компас-3D V9,

l - масштаб цикла.

Определяется погрешность:


9.2 Расчет для процессов, изображаемых в T-S координатах

Рисунок 3 - Тепловая диаграмма цикла ГТД в T-s координатах

График используется для оценки равенства тепла в идеальном цикле qрасч =qграф , найденных ранее расчетным путем и планиметрированием площади цикла.

где Sц - площадь цикла, найденная с помощью программы Компас-3D V9,

q - масштаб цикла.

Определяется погрешность:


10 Расчет энергетических характеристик ГТД

Определяется скорость набегающего потока:

                                           (10.1)

Определяется скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя:

                                         (10.2)

Определяется удельная тяга двигателя:

                                           (10.3)

Определяется секундный расход двигателя:

                                              (10.4)

Определяется масса двигателя:

                                     (10.5)

Определяется масса топлива, сгорающего в 1 кг воздуха:

                                           (10.6)

Определяется суммарная масса топлива за время полета:

                                          (10.7)

Определяется термический коэффициент полезного действия ГТД:

                                             (10.8)

Результаты вычислений приведены в таблице 8.

Таблица 8 - Энергетические характеристики идеального ГТД

α

2,4

10

573628,62

589,22

9,33

99,48

450,08

60,18


Заключение

В данной работе был произведен расчет термодинамических параметров газотурбинного двигателя для заданного режима полета.

Был построен рабочий цикл ГТД в P-V и Т-S координатах.

Работа цикла была определена двумя методами - аналитическим и графическим, и был произведен подсчет погрешности.

.


Список использованных источников

1. Мухачев Г.А., Щукин В.Е. Термодинамика и теплопередача. М.: Вьисш. шк., 1991. - 400 с.

2. Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с.

3. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче/ Под ред. Б.Н. Юдаева. М.: Высш. шк., 1968. - 372 с.

4. Требования к оформлению учебных текстовых документов: Метод. указания/ Сост. В.Н. Белозерцев, В.В. Бирюк, А.П.Толстоногов/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1988. - 29 с.

5. Белозерцев В.Н, Бирюк В.В., Толстоногов А.П. Методические указания по оформлению пояснительной записки к курсовой работе (проекту)/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1987. -16 с.

6. Меркулов А.П. Техническая термодинамика: Конспект лекций/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1990. - 235 с.

7. Толстоногов А.П. Техническая термодинамика: Конспект лекций/ Куйбышев. авиац. ин.-т. Куйбышев, 1990. - 100 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25912. Автоматические выключатели. Основные типы. Принцип действия. Основные типы расцепителей. Механизм свободного расцепления. Условия выбора 42 KB
  Конструктивная схема автомата На рисунке дана условная конструктивная схема универсального автомата в упрощенном изображении. Создается усилие которое перемещая рычаги 4 и 5 вправо будет поворачивать основную несущую деталь 6 автомата вокруг неподвижной оси О по часовой стрелке. Замыкаются и включают цепь тока вначале дугогасительные 8 и 10 а затем главные 7 и 11 контакты автомата. Отключающая пружина 2 взводится при включении автомата.
25913. Выключатели переменного тока высокого напряжения. Назначение, основные требования. Номинальный ток отключения. Классификация высоковольтных выключателей по виду дугогасительной среды и изоляции межконтактного промежутка. Использование АПВ. Условия выбора 45.5 KB
  Выключатели переменного тока высокого напряжения. Параметры В соответствии с ГОСТ Р 525652006 выключатели характеризуются следующими параметрами: номинальное напряжение Uном напряжение сети в которой работает выключатель; номинальный ток Iном ток через включённый выключатель при котором он может работать длительное время; номинальный ток отключения Iо.ном наибольший ток короткого замыкания действующее значение который выключатель способен отключить при напряжении равном наибольшему рабочему напряжению при заданных условиях...
25914. Конструкция и принцип действия малообъемных масленых выключателей. Достоинства и недостатки. Условия выбора. Сравнение с другими высоковольтными выключателями 329 KB
  Масляные выключатели В дугогасительных устройствах масляных выключателей гашение дуги осуществляется путем эффективного ее охлаждения в потоке газопаровой смеси вырабатываемой дугой в результате разложения и испарения масла. В зависимости от назначения масла можно выделить 2 основные группы масляных выключателей: 1. В состав газопаровой смеси возникающей в результате разложения масла под действем дуги входит до 70 водорода обладающего по сравнению с воздухом в 8 раз более высокой теплопроводностью но меньшей предельной электрической...
25915. Конструкция и принцип действия вакуумных выключателей. Достоинства и недостатки. Условия выбора. Сравнение с другими высоковольтными выключателями 22.5 KB
  Таким образом дуга в вакууме существует изза ионизации паров контактного материала вначале за счет материала контактного мостика а затем в результате испарения материала электродов под воздействием энергии дуги. Поэтому если поступление паров контактного материала будет недостаточно вакуумная дуга должна погаснуть.
25916. Тепловые процессы в электрических аппаратах. Источники теплоты. Поверхностный эффект и эффект близости. Способы распространения теплоты в пространстве. Термическая стойкость электрических аппаратов 292 KB
  ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ НАГРЕВ ПРИ КЗ Под термической стойкостью аппарата понимают его способность выдерживать без повреждений и перегрева свыше норм термическое действие токов короткого замыкания определенной длительности. Термическая стойкость характеризуется током термической стойкости т. Для выключающих аппаратов термическая стойкость задается обычно 10секундным током и...
25917. Контактные явления в электрических аппаратах. Классификация контактов их конструкция и материал исполнения. Понятия переходного сопротивления контакта 49 KB
  Классификация контактов их конструкция и материал исполнения. Чем больше контактов в цепи тем сильнее сопротивление. При точечном контакте контактные нажатия небольшие и для уменьшения сопротивления контактов применяют драгоценные металлы не образующие окиси. Для этих контактов применяют медь.
25919. Электромеханические реле. Принцип действия. Виды электромеханических реле, их назначение. Основные характеристики, требования 25.5 KB
  Электромеханические реле. Виды электромеханических реле их назначение. Электромеханическое релекоммутационное устройство предназначенное производить скачкообразные изменения в управляющих цепях. реле подразделяются на 2 класса: электромеханические статические Эл.
25920. Электромеханические реле времени. Тепловые реле. Принцип работы. Область применения 24 KB
  Электромеханические реле времени. Тепловые реле. реле времени. Схема защиты реле автоматикичасто требуется выдержка времени когда выдержка устанавливается для предотвращения срабатывания защиты от пусковых токов.