48634

Расчет параметров рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Цель работы: расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя. В результате работы определены: характеристики воздуха на заданной высоте полета оптимальная степень сжатия воздуха в компрессоре состав продуктов сгорания и основные параметры в характерных точках цикла....

Русский

2015-01-12

1.06 MB

10 чел.

Министерство образования Российской Федерации

Самарский государственный аэрокосмический университет

имени академика С. П. Королева

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

«Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя»

Вариант № 7

                                                                                          Выполнил: студент группы 235

     Миронов С. А.

     Проверил преподаватель:

     Копотев А. А.

г. Самара, 2004

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: 24 стр.

Рисунков: 3

Таблиц: 10

Источников: 8

Приложений: 2

СМЕСЬ, ТЕЛО РАБОЧЕЕ, ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ, ДИФФУЗОР, КОМПРЕССОР, ТУРБИНА, СОПЛО, ТОПЛИВО, ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ, ТЯГА

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

В результате работы определены: характеристики воздуха на заданной высоте полета, оптимальная степень сжатия воздуха в компрессоре, состав продуктов сгорания и основные параметры в характерных точках цикла. Рассчитаны энергетические величины цикла в его процессах, построен рабочий цикл ГТД в p-v и T-S координатах.

Содержание

                                                                                                        Стр.

Список условных обозначений………………………………………….……………...…...4

Индексы………………………………………………………………….…………...……….4

Введение………………………………………………………………….……..…………….5

  1.  Расчёт состава рабочего тела цикла……………………………….………..…………..7
    1.  Расчёт состава воздуха………………………………………………..…………….7
    2.  Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД…………………………………………………………………………………...8
    3.  Вычисление коэффициента избытка воздуха………………….…………............10
    4.  Расчёт состава продуктов сгорания…………………………….…………............11
  2.  Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических

    характеристик двигателя………………………………………………..…….............…13

  1.  Расчёт основных параметров состояния в характерных точках цикла ГТД……13
    1.  Расчёт калорических величин цикла ГТД…………………………..….................14
      1.  Расчёт изменения внутренней энергии энтальпии в процессах

и в сумме за весь цикл……………………………………………………………...…14

  1.  Расчёт теплоты в процессах и в сумме за цикл……………………………...15
    1.  Расчёт удельных работ в процессах и в сумме за цикл…………..................15
      1.  Расчёт параметров в промежуточных точках……………………..................16
      2.  Расчёт энергетических характеристик ГТД…………….……………………17
      3.  Определение работы цикла и теплоты графическим путем………………...18

Заключение…………………………………………………………………….……………..19

Приложения…………………………………………………………………….…………….20

Список использованной литературы…………………………………………….………….24

Условные обозначения, индексы

С – скорость истечения газа, м/с;

Ср – изобарная теплоёмкость, Дж/(кг К);

Cv – изохорная теплоёмкость, Дж/(кг К);   

G – массовый секундный расход, кг/с;

i – энтальпия, Дж/кг;

Hu – низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг;

k – показатель адиабаты;

l – удельная работа;

М – число Маха;

M – мольная масса компонента смеси, кг/кмоль;

τ – время полета, ч;

Р – давление, Па;

q – удельная теплоёмкость, Дж/кг;

R – тяга, Н;

S – энтропия, Дж/кг К;

T – температура, К;

u – удельная внутренняя энергия, Дж/кг;

a - коэффициент избытка воздуха;

m - молекулярная масса, кг/кмоль.

Индексы

opt – оптимальный;

Т – топливо;

i – номер компонента, процесса;

ц – цикл;

к – компрессор;

0 – точка 0 процесса;

` - воздух;

`` - продукты сгорания.

Введение

   Целью курсовой работы является расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик ГТД. Расчёты ведутся для идеального цикла ГТД с изобарным подводом тепла.

Рис.1. Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при p=const.

1 – топливный насос; 2 – компрессор; 3 – камера сгорания; 4 – газовая турбина; 5 – сопло (выходное устройство); 6 – диффузор (входное устройство)

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

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.

Рис.2 Устройство газотурбинного двигателя (на примере ТРД).

1 — входное устройство; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина; 5 — выходной канал; 6 — сопло

ТРД, изображенный на рис.2, 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.

    

Рис.3 Идеальный цикл ГТД при p=const.

а – в координатах p-v; б – в координатах T-S; в – выбор πопт в p-v координатах

1.   Расчёт состава рабочего тела.

1.1.Расчёт состава воздуха.

       Расчёт массовых и мольных долей компонентов и теплоёмкости производится для воздуха, потребляемого двигателем самолёта на высоте полёта Н =7000 м, при числе Маха M=1,1.

       Исходные данные:

Состав воздуха (объемные доли).

                                                                                                                              Таблица 1.

Нп, м

N2, %

O2, %

CO2, %

H2O, %

7000

77,53

20,39

0,59

1493

Состав и свойства топлива.

                                                                                                                                 Таблица 2.

Топливо

Химическая формула

Теплота сгорания (низшая) Нu, кДж/кг

      Т

                СH1,96

43000

Физические характеристики воздуха в зависимости от высоты полёта.

                                                                                                                                 Таблица 3.

Нп, м

Т0, К

Р0, Н/м2

r0, кг/м3

7000

242,7

41105

0,590

Дополнительные величины.

                                                      Таблица 4.

R, H

70000

t, ч

4

T3, K

1700

М

1,1

                                                                                          

Молярная масса,  мольная теплоёмкость и газовые постоянные

компонентов воздушной смеси.

                                                                                                                                Таблица 5.

Компонент

m, кг/кмоль 

R, Дж/(кг*К)

mCp, кДж/(кмоль*град)

N2

 28

296,9

28,97+0,00257t

O2

32

259,8

29,55+0,00340t

CO2

44

189

36,04+0,02t-6,4*10-6t2

H2O

18

461,9

32,88+0,00544t

   Вычислим газовые постоянные:

R=

R=

R=

R=

   Объемные доли компонентов в воздухе будут таковыми:

 

   Найдём молярную массу смеси:

                   

 

   Найдем массовые доли каждого компонента в 1 кг воздуха: 

 

 

Определим массу каждого компонента в 1 кг смеси:

        

1.2. Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД.

        

        Найдем оптимальное значение степени повышения давления для заданной скорости полета:

        Задаёмся значением k`=1,4.

        

      Найдем теплоёмкости компонентов смеси. Для этого вычислим температуру воздуха на входе и на выходе из компрессора и среднюю температуру диапазона от входа воздуха во входное устройство до входа в камеру сгорания.

   Рассчитаем  изохорные теплоёмкости компонентов:

    Вычислим изобарную и изохорную теплоёмкости воздуха, а также коэффициент адиабаты и газовую постоянную:

  Определим показатель адиабаты для воздуха по формуле:

  Вычислим газовую постоянную для воздуха:

  

1.3. Вычисление коэффициента избытка воздуха.

         Керосин Т (СnHm).По формуле для низшей теплотворной способности углеводородного топлива найдем соотношения углерода и водорода:

 

,

1.4. Расчёт состава продуктов сгорания.

  Вычислим массовые доли компонентов в смеси продуктов сгорания, определим массу продуктов сгорания и их компонентов:

Определим массовые доли компонентов:

  Найдём массу топлива сгорающего в 1 кг воздуха:

    Масса всех продуктов сгорания равна массе воздуха с топливом, т.е. выполняется закон сохранения массы веществ.

 

   Найдём изобарную и изохорную теплоёмкости, а также коэффициент адиабаты и газовую постоянную для продуктов сгорания. Для этого определим среднюю температуру диапазона расширения рабочего тела:

    Задаёмся первоначальным значением показателя адиабаты k``=1,33.

           

   Найдем изобарные теплоёмкости компонентов продуктов сгорания:

   Найдём изохорные теплоёмкости компонентов продуктов сгорания:

Найдём изобарные и изохорные теплоёмкости продуктов сгорания:

    Вычислим показатель адиабаты для воздуха:

    Найдем газовую постоянную  смеси продуктов сгорания:

   Для воздуха и продуктов сгорания газовые постоянные смеси получились почти одинаковыми.

2. Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя.

2.1. Расчёт параметров состояния в характерных точках цикла.

Точка 1.Параметры для точки 1 получим, рассчитывая адиабатное сжатие 0-1

в диффузоре.

Точка 2. Параметры для точки 2 получим, рассчитывая адиабатное сжатие 1-2 в компрессоре.

Точка 3. Параметры для точки 3 получим, рассчитывая процесс 2-3 изобарного подвода тепла  в камере сгорания ГТД.

Точка 4. Параметры для точки 4 получим, рассчитывая процесс 3-4 адиабатного расширения продуктов сгорания в турбине. Учитывая, что работы совершаемые компрессором и турбиной равны получим:

Точка 5. Параметры для точки 5 получим, рассчитывая 4-5 адиабатного расширения продуктов сгорания в реактивном сопле ГТД. Учитывая,  что на выходе из сопла давление продуктов сгорания равно атмосферному, получим:

2.2. Расчёт калорических величин цикла ГТД.

2.2.1. Расчёт изменения внутренней энергии энтальпии в процессах и в сумме за весь цикл.

     Найдём изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии во всех процессах по формулам (изменение энтропии адиабатных процессов 0-1, 1-2, 3-4, 4-5 равно 0.):

 

  1.   Расчёт теплоты в процессах и в сумме за цикл.

 т.к. это адиабатные процессы

Преобразованное тепло:

  1.  Расчёт удельных работ в процессах и в сумме за цикл.

     , где n- показатель политропы

и

       Рассчитаем деформационную работу цикла:

 

   Рассчитаем техническую работу цикла:

2.2.4. Определение параметров состояния в промежуточных точках.

   Определение значений параметров в промежуточных точках процессов 0-1-2 и 4-5 позволит более точно построить графики циклов. Так как эти процессы – адиабатные то имеем отношение для объёмов и давлений:

    Разделяем изменение энтропии на участках 2-3 и 5-0 на три примерно равные части и считаем значения температур в этих промежуточных точках:

2.2.5. Расчет энергетических характеристик ГТД.

    Скорость набегающего потока:

 

    Скорость истечения газа:

    Удельная тяга двигателя:

 

   Секундный расход воздуха:

 

   Масса двигателя:

   Суммарная масса топлива:

    Вычислим термический КПД ГТД () и термический КПД цикла Карно () по формулам:

 

2.2.6. Определение работы и теплоты цикла графическим путем.

1. , где  — площадь цикла в p-v координатах

   pv = pv — масштаб

p = 5000 Па/мм

v = 0,05

= 527000 Дж/кг

   Оценим погрешность:

2. , где  — площадь цикла в T-S координатах

   q = TS — масштаб

T = 10 К/мм

S = 10

= 648000 Дж/кгК

   Оценим погрешность:

Заключение

Проведен расчет идеального цикла ГТД. Для заданного интервала температур термический коэффициент полезного действия двигателя цикла Карно равен 85,7%,термический коэффициент равен 40.8%. При этом масса двигателя равна 1796 кг, расход топлива при длительности полета 4 часа на высоте полета 7000 м и числе Маха М=1,1 равен 36385 кг. Удельная тяга двигателя Rуд = 805.4 м/с.

       В ходе расчета для поступающего в диффузор воздуха и продуктов сгорания определены массовые доли, изохорные и изобарные теплоемкости, газовые постоянные, показатели адиабаты. Рассчитано оптимальное значение степени повышения давления воздуха в компрессоре двигателя, коэффициент избытка воздуха в камере сгорания. Определены параметры рабочего тела в промежуточных точках 1,2,3,4,5, изменения внутренней энергии, энтальпии, энтропии в процессах за цикл и по результатам расчетов построены p-v и T-S диаграммы цикла. Графическим методом определены работа и теплота цикла, сравнены величины, полученные расчетным путем и графическим.


Приложение 1

Состав рабочего тела цикла ГТД.

                                                                                                                                        Таблица 6.

Состав

Компоненты

N2

O2

CO2

H2O

Ri, Дж/кгК

297

260

189

462

СPi, Дж/кгК

воздух

1066

959

956

1928

Пр. сг

1221,2

1140

1141,4

2442,2

CVi, Дж/кгК

воздух

768

698,5

763,6

1464

Пр. сг

769

699

767

1466

μi, кг/кмоль

28

32

44

18

Gi,кг

воздух

0,755

0,227

0,009026

0,009325

Пр. сг

0,755

0,1302

0,098

0,045

gi,кг

воздух

0,755

0,227

0,009026

0,009325

Пр. сг

0,734

0,127

0,095

0,044

Характеристики рабочего тела в цикле ГТД.

                                                                                                                                       Таблица 7.

Рабочее

Тело

Характеристики

Cp ,Дж/кг*К

Cv, Дж/кг*К

R ,Дж/кг*К

k

G,кг

Воздух

1049

760

289,3

1,380

1

Прод. сгор

1257

967,7

289,3

1,299

1,0282

Основные параметры рабочего тела в характерных точках цикла ГТД и изменения их в процессах.

                                                                                                                                        Таблица 8.

Значения

0

1

2

3

4

5

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-0

За цикл

В точке

Pi, Па

41105

1220142

1220142

41105

Vi, м3/кг

1,7

0,98

0,15

0,4

0,7

6,46

Ti, K

242,7

298,5

617,4

1700

1442,2

918,2

За процесс

Dui, Дж/кг

42408

242364

1047632

-249473

-507075

-513380

62476

Dii, Дж/кг

58534

334526

1360828

-324055

-658668

-708600

62565

DSi, Дж/кгК

0

0

1273

0

0

-1271

-2

Dqi, Дж/кг

0

0

1360828

0

0

-708600

652228

Dliдеф, Дж/кг

-40872

-256872

305036

234193

510016

-195660

555841

Dliтех, Дж/кг

-56403

-354483

0

304217

662511

0

555842

  n.

1,380

1,380

0

1,299

1,299

0

Термодинамические параметры в промежуточных точках цикла.

Точки

а

b

c

d

Параметры

Pi, Па

115321

300145

152706

62061

Vi, м3/кг

0,8

0,4

2

4

Ti, K

322

420

1054

856

Процесс

2-a`

2-b`

5-c`

5-d`

DS, Дж/кг*К

424,33

846,66

-423,66

-847,33

Ti, K

908

1265

636

586

                                                                                                                              Таблица 9.

Энергетические характеристики ГТД.

                                                                                                                             Таблица 10.

pk

Lц, Дж/кг

a

C0, м/с

C5, м/с

Rуд, м/с

Gвозд, кг/с

Gдв, кг

Gт.с., кг

ht, %

14

555842

2,344

342,4

1147,8

805,4

86,9

1796

36385

40,8

Список использованных источников

  1.  Мухачев Г.А., Щукин В.Е. Термодинамика и теплопередача. М.: Высш. 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.
  8.  Варгафтик И.Е. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Наука, 1972.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63105. Подготовка семян гороха к посеву 23.73 KB
  Цель урока: Ознакомление с правилами и последовательностью подготовки семян гороха к посеву. Задачи: обучение определению всхожести семян гороха; коррекция и развитие внимания памяти речи мелкой моторики на основе выполнения заданий физминутки и практической работы...