48639

Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя

Курсовая

Производство и промышленные технологии

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. Определение коэффициента избытка воздуха . Количество топливасгорающего в 1 кг воздуха. 01 адиабатное сжатие воздуха в диффузоре.

Русский

2013-12-13

563.5 KB

3 чел.

Министерство образования и науки 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 № 14

Выполнил: Мясцов В. М., гр. 237

Проверил: Белозерцев В. П.

Оценка:

Дата

г. Самара, 2006

Реферат

Пояснительная записка: 18 стр.

Рисунков: 4

Таблиц: 9

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

Цель работы: расчет параметров состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла ГТД, его энергетических показателей, графическое построение цикла.

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] Реферат

[2] 2. Расчёт состава рабочего тела.

[3] 3. Определение оптимальной степени сжатия в компрессоре.

[4] 4. Определение коэффициента избытка воздуха .

[5] 5. Расчет состава продуктов сгорания.

[5.1] 5.1. Массы продуктов сгорания.

[5.2] 5.2. Количества вещества продуктов сгорания.

[5.3] 5.3. Объёмные доли компонентов.

[5.4] 5.4. Массовые доли компонентов.

[5.5] 5.5. Количество топлива,сгорающего в 1 кг воздуха.

[5.6] 5.6. Масса рабочей смеси.

[5.7] 5.7. Теплоёмкость рабочей смеси.

[5.8] 5.8. Газовая постоянная.

[6] 6. Расчет основных параметров в характерных точках цикла.

[6.1] 6.1. 0-1 — адиабатное сжатие воздуха в диффузоре.

[6.2] 6.2. 1-2 — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре.

[6.3] 6.3. 2-3 — изобарный подвод тепла к рабочему телу.

[6.4] 6.4. 3-4 — адиабатное расширение газа на турбине.

[6.5] 6.5 4-5 — адиабатное расширение в сопле ГТД.

[7] 7. Определение энергетических величин цикла в его процессах.

[7.1] 7.3. Расчет работы процесса и работы за цикл.

[7.2] 7.4. Определение параметров состояния в промежуточных точках.

[8] 9. Расчет энергетических характеристик ГТД.

Условные обозначения, индексы

C0 — скорость набегающего потока, м/с

C5 — скорость истечения газа, м/с

Cp — изобарная теплоемкость, Дж/кгК

Cv — изохорная теплоемкость, Дж/кгК

G — масса, кг

H — высота, м

Hu — низшая теплотворная способность, кДж/кг

k — показатель адиабаты

M — молярная масса, моль

p — давление, Па

q — теплота, Дж/кг

R — газовая постоянная, Дж/кгК

Rуд — удельная тяга двигателя, м/с

S — энтропия, Дж/кг

T — температура, К

U — внутренняя энергия, Дж/кг

v — удельный объем, м3/кг

— коэффициент избытка воздуха

— изменение параметра

t — термический к. п. д., %

0 — плотность воздуха, кг/м3

— время, ч

— 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 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.                                                                                                                                                                 

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.

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. Принципиальная схема и устройство ГТД.

                                              1                   2                                                                3                 4

Рис  Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при р=const:

1 — топливный насос; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина.

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

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

2. Расчёт состава рабочего тела.

Таблица 2.1 – Исходные данные

Высота
H, м

Число М

Время
, ч

Температура
Т, К

Тяга
R, кН

9000

1,9

2

1500

6500

Таблица 2.2 – Данные МСА

Высота, м

T0, К

p0, Па

0, кг/м3

Содержание компонентов воздуха

N2

O2

CO2

H2O

9000

229,7

30800

0,467

Gi,кг

0,7737

0,2023

0,0075

0,0165

Таблица 2.3 – Состав топлива

Марка топлива

Химическая формула

Низшая теплотворная способность, Hu, кДж/кг

Т

СH1,96

43000

Плотность при 20С 800 кг/м3

Таблица 2.4 – Молярная масса и мольная теплоёмкостькомпонентов воздушной смеси.

Компонент

m, кг/кмоль

mCp, Дж/(моль·град)

N2

28

28,97+0,00257t

O2

32

29,55+0,00340t

CO2

44

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

H2O

18

32,88+0,00544t

— задано.

 

R=8314,3·10-3 Дж/мольК,

кг/моль,  Дж/кг·К;

кг/моль,  Дж/кг·К;

кг/моль,  Дж/кг·К;

кг/моль,  Дж/кг·К.

 

 

Аналогично:

 

,

,

,

 

      

      

      

 

 

 

 

 

 моль

3. Определение оптимальной степени сжатия в компрессоре.

 

4. Определение коэффициента избытка воздуха .

CnHm  j= n/m = 1 /1,96 = 0,51; f = 1+4j =3,04

 

где К, .

.

5. Расчет состава продуктов сгорания.

5.1. Массы продуктов сгорания.

 

 

 

5.2. Количества вещества продуктов сгорания.

 

 

 

5.3. Объёмные доли компонентов.

 

 

 

5.4. Массовые доли компонентов.

  

 

5.5. Количество топлива,сгорающего в 1 кг воздуха.

 

кг

5.6. Масса рабочей смеси.

кг

5.7. Теплоёмкость рабочей смеси.

 

 

5.8. Газовая постоянная.

 

 

Результаты расчета сведем в таблицы 5.1 и 5.2

Таблица 5.1 – Состав воздуха и продуктов сгорания

Характеристика

Компонент

N2

O2

CO2

H2O

1038

917

829

1860

741

657

640

1398

28

32

44

18

297

260

189

462

Gi, кг

Воздух

0,7737

0,2023

0,0075

0,0165

Пр. сгор.

0,773

0,166

0,04

0,029

Mi, моль

Воздух

27,632

6,321

0,17

0,916

Пр. сгор.

27,632

5,19

0,93

1

gi

Воздух

0,7737

0,2023

0,0075

0,0165

Пр. сгор.

0,766

0,164

0,039

0,028

Таблица 5.2 – Состав газовой смеси и ее характеристики

Смесь

G, кг

Воздух

1025

734

287

1,3

1

Продукты сгорания

1197

906

291

1,3

1,008

6. Расчет основных параметров в характерных точках цикла.

6.1. 0-1 — адиабатное сжатие воздуха в диффузоре.

 

 

,

 

6.2. 1-2 — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре.

 

 

 

6.3. 2-3 — изобарный подвод тепла к рабочему телу.

T3 = 1500 К, p3 = p2 = 17,74105 Па

 

6.4. 3-4 — адиабатное расширение газа на турбине.

 

 

 

6.5 4-5 — адиабатное расширение в сопле ГТД.

p5 = p0 = 30800 Па

 

 

7. Определение энергетических величин цикла в его процессах.

7.1. Определение калорических величин в процессах.

 

, , , , , ,

, , , , , ,.

 

, ,

7.2. Расчет теплоты процессов и тепла за цикл

q0-1 = 0,

q1-2 = 0,

,

q3-4 = 0,

q4-5 = 0,

7.3. Расчет работы процесса и работы за цикл.

 

Результаты расчета сводятся в таблицу 7.1.

Таблица 7.1 – Основные параметры ГТД в характерных точках цикла

Параметр

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-0

Для цикла

В точке

30800

2105

17,74105

17,74105

8,57105

30800

2,14

0,5

0,094

0,246

0,43

5,56

Ti, K

229,7

354

586

1500

1268

589

В процессе

0,91105

1,7105

8,28105

-2,1105

-6,15105

-2,63105

0,01105

1,28105

2,38105

10,94105

-2,78105

-8,14105

-4,29105

0,61105

0

0

1125

0

0

-1125

0

0

0

10,94105

0

0

4,3105

6,64105

-1,28105

-2,38105

0

2,78105

8,14105

0

7,26105

7.4. Определение параметров состояния в промежуточных точках.

Поскольку процессы 0-1-2 и 3-4-5 адиабатные, то для любой пары точек на низ справедливы соотношения: . Задаваясь удельным объемом в точках a и b в пределах от v0 до v2 находим pa pb, для точек c и d в пределах от v3до v5 находим pc pd, например . Для построения цикла в T-S координатах найдем промежуточные точки между 2 и 3, 5 и 0: a', b', c', d'. Для значения температур процессов T2-a', T2-b', T0-c', T0-d' вычисляем соответствующие изменения энтропии рабочего тела в процессах по сооношениям: , и т.д. Значения параметров в промежуточных точках сводятся в таблицу 7.2.

Таблица 7.2 – Значение параметров в промежуточных точках

Параметр

Точка

a

b

c

d

0,83105

2,67105

13,7105

1,16105

1

0,4

0,3

2,0

Параметр

Точка

a

b

c

d

Ti, K

799

1360

670

289

Процесс

2- a

2-b

5-c

5-d

365

1047

125

762,3

8. Построение идеального цикла в  P-V и T-S координатах.

9. Расчет энергетических характеристик ГТД.

Скорость набегающего потока:

 

Скорость истечения газа:

 

Удельная тяга двигателя:

 

Секундный расход воздуха:

 

Масса двигателя:

Масса топлива,сгорающего в 1 кг воздуха:

 

Суммарная масса топлива за время полёта:

 

КПД двигателя:

 

Рассчитанные величины сводятся в таблицу 7.1.

Таблица9.1 – Энергетические характеристики ГТД

С0, м/с

С5, м/с

Rуд, м/с

Gвозд, кг

Gдв, кг

Gтоп,кг

8,87

7,26105

5,59

556

1275

719

9,04

145,7

650,8

66,3

Заключение

      Проведен расчет идеального цикла ГТД. Для заданного интервала температур термический коэффициент полезного действия двигателя равен равен 66,3%. При этом масса двигателя равна 145,75 кг, расход топлива при длительности полета 2 часа на высоте полета 9000 м и числе Маха М=1,9 равен 650,9 кг. Удельная тяга двигателя Rуд = 719 Н.

       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.

Список использованной литературы.

  1.  Мухачев Г. А., Щукин В. К., «Термодинамика и теплопередача», М.: Высшая школа, 1991. - 400 с.
  2.  Кириллин В.А., Сычев В. В., Шейдлин А.Е., «Техническая термодинамика», М.: Энергоатомиздат, 1983. – 416 с.
  3.  Б. Н. Юдаев, «Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче», М.: Высшая школа, 1968. – 372с.
  4.  В. Н. Белозерцев, В. В. Бирюк, А. П. Толстоногов, «Требования к оформлению учебных текстовых документов» Метод. указания,  КуАИ, Куйбышев, 1988. – 29 с.
  5.  Белозерцев В. Н., В. В. Бирюк, А. П. Толстоногов, «Методические указания по оформлению пояснительной записки к курсовой работе (проекту)», КуАИ, Куйбышев, 1987. -16 с.
  6.  Меркулов А.П., Толстоногов А.П., «Идеальный цикл газотурбинного двигателя. Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя», КуАИ Куйбышев, 1991.-12с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84755. Характерные особенности и топологии ЛВС 954.68 KB
  Сравнительно небольшие затраты на построение сети. Перечисленные особенности обусловливают основные достоинства ЛВС заключающиеся в простоте сетевого оборудования и организации кабельной системы и как следствие в простоте эксплуатации сети.
84756. Высокоскоростные технологии Etherne. Fast Ethernet 533.34 KB
  Структура сети - иерархическая древовидная, построенная на концентраторах, как 10Base-T и 10Base-F. Диаметр сети Fast Ethernet составляет немногим более 200 метров, что объясняется уменьшением времени передачи кадра минимальной длины в 10 раз в результате увеличения пропускной способности канала...
84757. FDDI (Fiber Distributed Data Interface – оптоволоконный интерфейс распределения данных) 748.35 KB
  Стандарт FDDI, разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI - American National Standards Institute), реализован с максимальным соответствием стандарту IEEE 802.5 — Token Ring. Небольшие отличия от этого стандарта определяются необходимостью обеспечения большей скорости передачи данных на большие расстояния.
84758. ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ 687.52 KB
  Совокупность различных сетей подсетей ЛВС расположенных на значительных расстояниях друг от друга и объединенных в единую сеть с помощью телекоммуникационных средств представляет собой территориально-распределенную сеть которую можно рассматривать как совокупность различных сред передачи...
84759. Методы и протоколы маршрутизации 791.79 KB
  Ее достоинства следующие: низкие требования к маршрутизатору; повышенная безопасность сети. Недостатки статической маршрутизации существенно ограничивающие её применение следующие: высокая трудоемкость эксплуатации сетевые администраторы должны задавать и модифицировать маршруты вручную...
84760. Сети с установлением соединений. Принцип передачи пакетов на основе виртуальных каналов 388.16 KB
  При создании коммутируемого виртуального канала маршрутизация пакетов в узлах сети выполняется с использованием маршрутных таблиц только один раз на этапе установления соединения. При этом каждому виртуальному каналу присваивается идентификатор (номер) виртуального канала...
84761. Глобальная сеть Internet. Краткая история создания и архитектурная концепция Internet 916.28 KB
  Появлению сети Internet и стека протоколов TCP/IP предшествовала в середине 1960-х годов разработка сети, получившей название ARPANET. Разработчики - Стэндфордский исследовательский институт, Калифорнийский университет (Лос-Анжелес), университеты штатов Юта и Калифорния.
84762. Коммуникационный протокол IPv4 640.04 KB
  Длина заголовка 4 бита задает значение длины заголовка пакета измеренной в 32 битовых 4 байтовых словах. Тип сервиса Туре of Service ToS 8 битовое поле предназначенное для оптимизации транспортной службы содержащее: 3 битовое поле Приоритет принимает 8 значений: от 0 нормальный приоритет...
84763. Транспортные протоколы стека TCP/IP 237.33 KB
  Транспортные протоколы ТСР и UDP стека протоколов TCP IP обеспечивают передачу данных между любой парой прикладных процессов выполняющихся в сети и предоставляют интерфейс для протокола IP путем демультиплексирования нескольких процессов использующих в качестве адресов транспортного уровня порты.