48637

Расчет идеального цикла газотурбинного двигателя

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Рассчитаны энергетические величины цикла в его процессах построен рабочий цикл ГТД в pv и TS координатах. Содержание Список условных обозначений Индексы Введение Расчёт состава рабочего тела цикла Расчёт состава воздуха Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД. Расчёт основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД. Расчёт калорических величин цикла ГТД.

Русский

2013-12-13

1.22 MB

21 чел.

Самарский Государственный Аэрокосмический Университет

имени академика С.П.Королева

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Расчет идеального цикла газотурбинного

двигателя

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине ”Термодинамика”

Вариант №12

Выполнил: студент гр. 235

Селиванов И.А.

Проверил: преподаватель

Копотев А.А.

Самара, 2007 г.

Реферат

Пояснительная записка: 27 стр.

Рисунков:3

Чертежей: 2

Таблиц: 9

Источников: 9

СМЕСЬ, РАБОЧЕЕ ТЕЛО, ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ, ДИФФУЗОР, КОМПРЕССОР, ТУРБИНА, СОПЛО, ТОПЛИВО, ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ, ТЯГА, СТЕПЕНЬ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ ИЗБЫТКА ВОЗДУХА, ЭНТРОПИЯ, ЭНТАЛЬПИЯ, ЧИСЛО МАХА, УДЕЛЬНАЯ РАБОТА, ТЕПЛОЁМКОСТЬ, УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЁМ, ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ.

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

[1]
Список условных обозначений

[2] Индексы

[3]
Введение

[4]
Расчёт состава рабочего тела цикла

[5] Расчёт состава воздуха

[6] Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД.

[7] Вычисление коэффициента избытка воздуха

[8] Расчёт состава продуктов сгорания.

[9]
Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя.

[10] Расчёт основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД.

[11] Расчёт калорических величин цикла ГТД.

[11.0.1] Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах цикла.

[11.0.2] Расчёт теплоты процессов и тепла за цикл.

[11.0.3] Расчёт удельной работы процессов и за цикл.

[12]  Расчёт параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения.

[12.0.1] Процессы, изображаемые в  P – V координатах.

[12.0.2] Процессы, изображаемые в T – S координатах.

[12.0.3]


Сравнение данных, полученных с диаграмм с аналитическим       расчётом.

[13] Расчёт энергетических характеристик ГТД.

[14]
Заключение

[15]
4. Список использованных источников.


Список условных обозначений

– изобарная теплоёмкость, ;

– изохорная теплоёмкость, ;   

– массовый секундный расход,;

– удельная энтальпия, ;

– показатель адиабаты;

– удельная работа, ;

– число Маха;

– мольная масса компонента смеси,;

– давление, ;

– удельное тепло, ;

– тяга, ;

– газовая постоянная, ;

– энтропия, ;

– температура, ;

– удельная внутренняя энергия, ;

– удельный объём, ;

- коэффициент избытка воздуха;

- молекулярная масса, .

Индексы

– оптимальный;

– топливо;

– номер компонента, процесса;

– цикл;

- параметр, относящийся к продуктам сгорания.


Введение

Основная цель курсовой работы по термодинамике – ознакомиться с методикой расчета параметров состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла газотурбинного двигателя (ГТД), его энергетических характеристик, графического построения цикла.

На первом этапе определяются характеристики газовой смеси продуктов сгорания в условиях, когда при сжигании топлива в ГТД химический состав рабочего тела существенно изменяется.

На втором этапе определяются основные параметры состояния рабочего тела и другие энергетические характеристики двигателя, выполняется графическое построения цикла в  и T-S координатах.

В данной работе рассматривается ГТД имеющий цикл с подводом тепла при постоянном давлении, принципиальная схема которого показана на рис. 1.

1 – топливный насос;

2 – компрессор;

3 – камера сгорания;

4 – газовая турбина;

Рис. 2. Идеальный цикл ГТД при p=const: а – в координатах p-v;

б – в координатах T-S.

Рис.3. Схема ТРД.

1 — входное устройство;

2 — компрессор;

3 — камера сгорания;

4—газоваятурбина;
5 — выхо
дной канал;

6 — сопло.

Предполагается, что процессы в цикле обратимы (цикл обратим), гидравлические, тепловые и механические потери отсутствуют, а рабочее тело идеальный газ.


Исходные данные

Таблица 1. Исходные данные

Топливо

Высота,

Число

,

 

керосин Т

8000

0,9

7

4

1400

Таблица 2. Характеристики топлива

Топливо

Формула

Сод. серы и влаги

Плотность при 20С

Тепл. сгор. (низш.)

-

0.8

43000

Таблица 3. Характеристики атмосферы

Атмосфера

Международная стандартная атмосфера

236,2

35652

0,526

1,53

Состав атмосферы по высоте

N2,%

O2,%

CO2,%

H2O,%

77,45

20,31

0,67

1,57

Таблица 4. Характеристики компонентов смеси

Свойства компонентов смеси

mCp, кДж/кмоль град

N2

28

297

28,97+0,00257t

O2

32

260

29,55+0,00340t

CO2

44

189

36,04+0,02t-6,410-6t2

H2O

18

462

32,88+0,00544t

  1.  
    Расчёт состава рабочего тела цикла
    1.  Расчёт состава воздуха

Найдем молярные теплоёмкости

Зная молекулярные массы компонентов в воздухе и удельные газовые постоянные (в соответствии с таблицей 4) можно найти искомые теплоемкости.

Определим изобарную теплоёмкость каждого компонента

Определим изохорную теплоёмкость каждого компонента

Найдём характеристики смеси:

  •  Молекулярная масса смеси

Из условия доля каждого компонента в составе атмосферы будут следующими:

  •  Изохорная и изобарная теплоемкости

, где – массовая доля каждого компонента смеси

  •  Масса каждого компонента в 1 кг смеси:

  •  Мольная доля каждого компонента

  •  газовая постоянная

  •  показатель адиабаты

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

Оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре ГТД определяется по формуле:

 

  1.  Вычисление коэффициента избытка воздуха

Основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной. Для расчета примем соотношение  для заданного вида топлива:

, n=1; m=1,96

;

Коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

  1.  Расчёт состава продуктов сгорания.

Определим моли компонентов:

Определим массы компонентов:

Определим массовые доли компонентов:

Найдём массу топлива:

Найдём изобарную и изохорную теплоёмкости, а также коэффициент адиабаты и газовую постоянную для продуктов сгорания:

Найдём изобарные и изохорные теплоёмкости, коэффициент адиабаты и газовую постоянную смеси продуктов сгорания.

Таблица 5. Состав рабочего тела цикла ГТД

Характеристики

Компоненты

N2

O2

CO2

H2O

297

260

189

462

1031,25

919,51

802,09

1815,55

734,31

659,68

613,13

1353,59

28

32

44

18

Воздух

0,754

0,266

0,0102

0,0098

Прод. сг.

0,754

0,1567

0,0741

0,0276

Воздух

0,0269

0,0070

0,0002

0,0005

Прод. сг.

0,0269

0,0048

0,0017

0,0019

Воздух

0,754

0,266

0,0102

0,0098

Прод. сг.

0,7447

0,1548

0,0732

0,0272

Воздух

0,7745

0,2031

0,0067

0,0157

Прод. сг.

0,7589

0,1380

0,0475

0,0555

Таблица 6. Характеристики рабочего тела цикла ГТД

Рабочее тело

Характеристики

Воздух

1011,359

722,293

289,154

1,4

1

Прод. сг.

1149,959

862,177

287,781

1,33

1,0124

  1.  
    Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя.
    1.  Расчёт основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД.

Точка 1.

 Процесс 0-1  - адиабатное сжатие воздуха в диффузоре:

Точка 2.

Процесс 1-2  - адиабатное сжатие в компрессоре:

Точка 3.

Процесс 2-3  - изобарный подвод тепла в камере сгорания,  – задано;

– степень повышения температуры:

Точка 4.

Процесс 3-4  - адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине:

Точка 5.

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

  1.  Расчёт калорических величин цикла ГТД.
    1.  Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах цикла.

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

– внутренняя энергия в процессе

погрешность:                 

– энтальпия

  погрешность:                 

– энтропия

  1.  Расчёт теплоты процессов и тепла за цикл.

Преобразованное тепло:

  1.  Расчёт удельной работы процессов и за цикл.


Таблица 7. Значения основных параметров состояния рабочего тела  цикла,

изменение калорических параметров в процессах и за весь цикл ГТД

Значения

Точки

Для цикла

0

1

2

3

4

5

35652

60301

801806

801806

305255

35652

_

1,77

1,22

0,2

0,5

1,03

5,18

_

236,2

274

575

1400

1099

642

_

Значения

Процессы

Для цикла

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-0

27652

217095

711254

-259139

-394067

-293377

9417,9

38719

303977

948660

-345635

-525601

-410788

9331,5

0

0

1023,20

0

0

-1011,85

0

0

0

948660,7

0

0

410788,8

537871,9

-38719

-303977

0

345635

525601

0

528540,5

  1.   Расчёт параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения.
    1.  Процессы, изображаемые в  PV координатах.

  1.  Процессы, изображаемые в TS координатах.

Таблица8. Параметры состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов и изменение энтропии

Значения

Точки

189325

431164

99060

54156

0,54

0,30

2,41

3,79

380

481

829

713

Значения

Процесс

341

682,1

-674,5

-337,3

На графиках, расположенных ниже, представлено изображение цикла в  и T-S   координатах.

  1.  


    Сравнение данных, полученных с диаграмм с аналитическим       расчётом.

диаграмма

диаграмма


  1.  Расчёт энергетических характеристик ГТД.

Энергетические характеристики ГТД следующие:

− скорость набегающего потока,

− скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя,

− удельная тяга двигателя,

− секундный расход воздуха,

 

− масса двигателя,

− масса топлива, сгорающего в 1  воздуха,

− суммарная масса топлива за время полета,

− термический коэффициент полезного действия ГТД

Таблица 9. Энергетические характеристики ГТД

13,3

3,26

528540,5

747

9,37

196,11

2735,89

55,7

  1.  
    Заключение

В ходе работы был исследован цикл работы идеального ГТД, произведены расчеты, определяющие состав рабочего тела цикла, рассчитаны параметры состояния рабочего тела и энергетические характеристики двигателя, построен цикл ГТД в  и  координатах. Был вычислен КПД цикла, причем:

Видно, что КПД нашего ГТД меньше коэффициента полезного действия двигателя с циклом Карно для заданного интервала температур, что вполне согласуется с теорией.


4. Список использованных источников.

  1.  Мухачев Г. А., Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. вузов. — 3-е изд., перераб. — М.: Высш. шк., 1991. — 480 с.: ил.
  2.  Теплотехника. Метод. указания. Сост.: Белозерцев В.Н., Бирюк В.В.,            Толстоногов А.П. – Самара, СГАУ, 2001, – 40 с.
  3.  Болгарский А.В. и др. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче – М.: Высш. шк., 1972, – 303 с.
  4.  Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Энергоатомиздат, 1983. -416
  5.  Меркулов А.П. Техническая термодинамика. Конспект лекций/Куйбышев. авиац. Ин-т. 1987. -16 с.
  6.  Чиркин Х. У. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Акад. И.К. Кихоина. Атомиздат, 1976г.
  7.  Кондратьев Д.В., Лыков О.В Теория теплопроводности. М., 1967.-559 с.
  8.  Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Л.-М., 1959.-414 с.
  9.  Авдуевский В.С., А.В. Бубен Основы теплопередачи в авиационной и ракето-космической технике. М., 1975. - 623 с.


1

2

4

Рис. 1 Принципиальная схема ГТД.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73704. Электростатика проводников 156.5 KB
  В проводнике заряды могут двигаться при наложении маленьких полей в пределе бесконечно малых. Проводник – это такая среда содержащая свободные заряды которые можно перемещать по объему без совершения работы идеальный проводник. Такие проводники в природе существуют.
73705. Конденсатор. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов 110 KB
  Можно выбрать сколько угодно проводников диэлектриков и подать на два выбранных проводника некоторые противоположные заряды и померить разность потенциалов между выбранными проводниками. Зарядим обе сферы равными по модулю и противоположными по знаку зарядами. Помещаем на платинах разноимённые заряды . Если представить что мы создали данную разность потенциалов на каждом конденсаторе отдельно а потом соединили их то сумма зарядов при присоединении не изменится ни справа ни слева .
73707. Постоянный электрический ток, Электрический ток, плотность тока, сила тока 323.5 KB
  Электрический ток плотность тока сила тока. Основными характеристиками электрического тока являются плотность тока векторная характеристика и сила тока скалярная величина. Плотность электрического тока – заряд проходящий через единичную площадку перпендикулярную потоку за единицу времени. Сила электрического тока через поверхность с заранее выбранным направлением нормали – это заряд протекающий через единицу времени.
73708. Поле проводника с постоянным током 70.5 KB
  Из условия стационарности делаем вывод что цепь постоянного тока замкнута. Рассмотрим проводник тока малый настолько что его можно считать трубкой тока. Выберем положительное направление обхода в направлении потока тока. произведение алгебраической величины тока на сопротивление равна разности потенциалов и ЭДС сторонних сил.
73709. Закон Джоуля-Ленца для участка цепи 387 KB
  Проводимость шариков много больше проводимости земного шара. Будем считать что в среде выполняется закон Ома в дифференциальной форме где проводимость среды в данной точке. Проводимость анизотропных сред. линейная проводимость квадратичная проводимость.
73710. Постоянное магнитное поле. Сила Лоренца 227.5 KB
  Постоянное магнитное поле. Можно полагать что в процессе движения заряд создает некоторое поле которое называется магнитное поле. Если один заряд или система зарядов создали поле с вектором то на другой заряд движущийся в этом поле действует сила. Поместим проводник в магнитное поле.