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

2 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

73004. Определение фракционного состава нефтяных топлив (на примере дизельного топлива) 36.82 KB
  Установить зависимость эксплуатационных характеристик от фракционного состава топлив. Знать: Сущность простой перегонки. Технику безопасности при работе с ЛВЖ,ГЖС электроприборами. Произвести определение фракционного состава нефтяного топлива на примере дизельного топлива.
73005. Определение количественного содержания воды нефти 20.57 KB
  Наличие воды вызывает серьёзные затруднения при её переработке вследствие чего нефть подвергают обессоливанию и обезвоживанию и эти процессы контролируются лабораторными анализами. Содержание воды солей мех. Содержание воды зависит от их группового углеводородного состава и температуры.
73006. Изучение влияния частоты тока на показания вольтметров электромеханической группы 114 KB
  Цель работы изучить основные свойства вольтметров электромеханической группы и исследовать их характеристики. Ознакомиться с лабораторным стендом предназначенным для исследования вольтметров электромеханической группы...
73008. Изучение устройства, принципа действия и методики выполнения измерений с помощью измерителя R, L, C типа Е7-11 и моста сопротивлений МКМВ 90.5 KB
  Цель работы изучить устройство и принцип действия измерителя моста сопротивлений МКМВ. Ознакомиться с назначением техническими характеристиками измерителя RLC универсального типа Е711 и моста сопротивлений МКМВ.
73010. Методика навчання роботі з ОС Windows 496 KB
  Учень повинен пояснювати: відмінність між системним службовим та прикладним програмним забезпеченням; поняття ядра операційної системи інтерфейсу користувача драйвера та утиліти; поняття файлової системи; відмінності між поширеними файловими системами...
73011. Методика створення комп’ютерних презентацій 93 KB
  Мета. Розглянути основні методичні особливості вивчення теми в ШКІ, опрацювати методичні рекомендації у педагогічно-методичній, науковій літературі, розробити дидактичне забезпечення до вивчення навчального матеріалу з даної теми.