48642

Расчет параметров состояния энергетических характеристик газотурбинного двигателя

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Рассчитаны параметры состояния в характерных и нескольких промежуточных точках идеализированного цикла ГТД, определены изменения внутренней энергии, энтальпии, энтропии, теплоты, удельные работы процессов и за цикл...

Русский

2015-01-12

1009 KB

15 чел.

PAGE  14

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 № 18

Выполнил: студент гр.235

                  Фролова А. В.

Проверил:  Сукчев В. М.

Самара 2006

Содержание

Задание…………………………………………………………………………..3

[1]
ЗАДАНИЕ

[2]
ВВЕДЕНИЕ

[3] 1. Расчёт состава рабочего тела

[4]
3. Определение коэффициента избытка воздуха 

[5]
4. Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси

[5.1] Массы продуктов сгорания:

[5.2] Количества вещества продуктов сгорания:

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

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

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

[6.3] Точка 3. Процесс 2-3 — изобарный подвод тепла в камере сгорания:

[6.4] Точка 4. Процесс 3-4 — адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине:

[6.5] Точка 5. Процесс 4-5 — адиабатное расширение в реактивном сопле ГТД до давления окружающей среды :

[7]
6. Определение калорических величин цикла ГТД

[7.1] Расчет работы процесса и работы за цикл

[7.2] 7. Определение параметров состояния в промежуточных точках

[8]
8. Расчет энергетических характеристик ГТД

[9] 9.Построение идеального цикла в p-v и T-S координатах

[10]
Заключение


ЗАДАНИЕ

 Рассчитать идеальный цикл ГТД тягой R при полете с числом М за время τ (час) по заданной высоте Н при температуре Т3 газа перед турбиной. Исходные данные приведены в табл.1, 2, 3, 4, 5. Масса воздуха G = 1 кг. Топливо – керосин ТС-1.  

Таблица 1 - Исходные данные

Высота полета
H, м

Число М

Время
, ч

Температура
Т, К

Тяга
R, кН

5000

1,3

3

1700

4550

Таблица 2 - Данные МСА

Н, м

Т0, К

Р0, Н/м2

r, кг/м3

µ105, Нс/м3

5000

255,7

54048

0,736

1,63

Таблица 3 - Состав топлива

Марка топлива

Химическая формула

Содержание серы и влаги,

%

Плотность при 20ºС

Низшая теплота сгорания Нu, кДж/кг

ТС-1

С1,02H1,99

0,005

0,775

43130

Таблица 4 - Содержание компонентов воздуха

N2

O2

CO2

H2O

, %

77,69

20,55

0,43

1,33

, кг

0,7769

0,2055

0,0043

0,0133

Таблица 5 - Молярная масса и мольная теплоемкость воздушной смеси

Компонент

m, кг/кмоль

mCp, Дж/(моль·К)

N2

28

28,97+0,00257t

O2

32

29,55+0,00340t

CO2

44

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

H2O

18

32,88+0,00544t

РЕФЕРАТ

Курсовая работа: 26 страниц, 3 рисунка, 5 таблиц,4 источника.

АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС, УНИВЕРСАЛЬНАЯ ГАЗОВАЯ ПОСТОЯННАЯ, ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС, ЭНТАЛЬПИЯ, ЭНТРОПИЯ, ТЕПЛОЕМКОСТЬ, ЦИКЛ ГТД, ТЕПЛОТА, ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ.

Определены массовые доли, молекулярные массы, мольные доли, изохорные теплоемкости компонентов воздуха, поступающего в диффузор, газовая постоянная, показатель адиабаты, характеризующие воздух в точке 0 цикла ГТД. Рассчитано оптимальное значение степени сжатия воздуха в компрессоре, обеспечивающее максимально полезную работу цикла для заданного значения температуры Т3. Вычислен потребный коэффициент избытка воздуха в камере сгорания. Найдены значения массовых и мольных долей компонентов рабочего тела, как смеси  продуктов сгорания и избыточного воздуха; молекулярная масса смеси, плотность, теплоемкость, газовая постоянная и показатель адиабаты, характеризующие смесь при температуре Т3. Результаты расчетов сведены в таблицы.

Рассчитаны параметры состояния в характерных и нескольких промежуточных точках идеализированного цикла ГТД, определены изменения внутренней энергии, энтальпии, энтропии, теплоты, удельные работы процессов  и за цикл. Изображен идеальный цикл в p-v и T-S координатах. Рассчитаны энергетические характеристики ГТД.

.


УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И 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

k — показатель адиабаты

M — молярная масса, моль

p — давление, Па

q — теплота, Дж/кг

R  - удельная газовая постоянная,

R — универсальная  газовая постоянная, Дж/кгК

Rуд — удельная тяга двигателя, м/с

     L – удельная работа;

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

opt – оптимальный;

i – номер компонента, процесса;

ц – цикл;

к – компрессор;

О – точка О процесса;


ВВЕДЕНИЕ

Циклы ГТД разделяются на две основные группы: с подводом тепла при p=const и при v=const.

Принципиальная схема ГТД со сгоранием топлива при p=const показана на рис. 2. Принцип его работы следующий. При полете самолета набегающий поток воздуха поступает в диффузор, сжимается , затем попадает в компрессор 2 , сжимаясь, поступает в камеру сгорания 3, где происходит сгорание топлива, впрыснутого в нее, и подвод тепла. Привод компрессора осуществляется от газовой турбины 4. Пройдя через газовую турбину, продукты сгорания расширяются в реактивном сопле до атмосферного давления, и после истечения изобарно охлаждается в атмосфере.

Поскольку адиабатно сжимаемый в компрессоре воздух и образовавшиеся продукты сгорания, расширяющиеся на лопатках турбины и в сопловом аппарате, имеют различный состав, параметры состояния рабочего тела в различных точках термодинамического цикла должны рассчитываться с учетом этой особенности. Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания определяются уравнениями химических реакций окисления элементов горючего с учетом содержания их в топливе.

Рисунок 2. Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при p = const: 1- топливный насос; 2- компрессор; 3- камера сгорания; 4- газовая турбина

 

1. Расчёт состава рабочего тела

Расчёт массовых и мольных долей компонентов и теплоёмкости производится для воздуха, потребляемого двигателем самолёта на высоте полёта Н = 5000м и скорости полёта V = 1,3 M.

Найдем удельные газовые постоянные для каждого компонента по формуле:

 (1),

где R=8314,3·10-3 Дж/мольК; молярные массы компонентов  - в табл. 5

;

;

;

.

Из данных табл.5 найдем мольные теплоемкости компонентов, учитывая, что ºС:

Тогда изобарные теплоемкости определяются по формуле (2):

 

 

Изохорные теплоемкости компонентов найдем из закона Майера:

 (3)

 Определим массовые доли компонентов:  (4), где  - масса компонента в 1кг смеси (см. табл. 4), =1кг – масса всей смеси:

Найдем число молей каждого из компонентов:  (5)

По формуле  (6) найдем мольные доли компонентов смеси:

.

Для газовой смеси определим:

изобарную теплоемкость

изохорную теплоемкость

массу

показатель адиабаты

 

2. Расчет оптимального значения степени повышения давления

 Для заданного числа М полета оптимальное значение можно получить аналитически из условия, что при его значении полезная работа цикла ГТД наибольшая. Решение сводится к отысканию максимума функции .

 

Этот максимум в идеальном цикле достигается при значении

 (7),

где

 

Тогда


3. Определение коэффициента избытка воздуха

Основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной.

 Для расчета примем соотношение  для данного вида топлива :

Для топлива :  .

Коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

 (8)

где

.

.


4. Расчет состава продуктов сгорания
и рабочей смеси

Массы продуктов сгорания:

(9)

(10)

(11)

(12)

Количества вещества продуктов сгорания:

(13)

(14)

(15)

(16)

       Мольные доли компонентов:  (17)

        Массовые доли компонентов: (18);

        Количество топлива, сгорающего в 1кг воздуха:

(19)

        Масса рабочей смеси:  (20)

Теплоемкости рабочей смеси:

(21)

(22)

Газовая постоянная:

(23)

Показатель адиабаты:

(24)

       Результаты расчета сведем в таблицы:

Таблица 6 - Состав рабочего тела цикла ГТД

Характеристика

Компонент

N2

O2

CO2

H2O

1165,71

1075

1171,59

2257,78

868,78

815,19

982,64

1795,89

28

32

44

18

297,93

259,87

188,95

461,89

Gi, кг

Воздух

0,7769

0,2055

0,0043

0,013

Пр. сгор.

0,7769

0,103

0,051

0,099

Mi, моль

Воздух

27,75

6,42

0,098

0,72

Пр. сгор.

27,75

3,21

0,983

2,245

gi

Воздух

0,7769

0,2055

0,0043

0,013

Пр. сгор.

0,77

0,17

0,03

0,023

ri

Воздух

0,79

0,18

0,0028

0,021

Пр. сгор.

0,815

0,163

0,02

0,002

Таблица 7 - Характеристики рабочего тела в цикле ГТД

Смесь

G, кг

Воздух

1160,95

870,052

287,191

1,334

1

Продукты сгорания

1167,423

878,328

289,095

1,329

1,072

5. Расчет основных параметров в характерных точках цикла

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

(25)

(26)

,

(27)

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

(28)

(29)

(30)

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

, - степень повышения температуры

p3 = p2 = 23,758105 Па

(31)

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

(32)

(33)

(34)

Точка 5. Процесс 4-5 — адиабатное расширение в реактивном сопле ГТД до давления окружающей среды :

p5 = p0 = 54048 Па

(35)

(36)


6. Определение калорических величин цикла ГТД

Определение калорических величин в процессах цикла

 

Внутренняя энергия в процессе:

(37)

, , , , ,

 

Энтальпия:

(38)

, , , , , ,

Энтропия:

(39)

; ; ;

;

.

Расчет теплоты процессов и тепла за цикл

q0-1 = 0,

q1-2 = 0,

,

q3-4 = 0,

q4-5 = 0,

Расчет работы процесса и работы за цикл

- работа сжатия газа в диффузоре,

- работа сжатия газа в компрессоре , - работа газа в турбине, , - работа реактивного сопла,

- работа цикла,

Результаты расчета сводятся в таблицу 8.

Таблица 8 – 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

54048

1,46·105

23,8·105

23,8·105

10,6·105

659,289

-

1,634

0,646

0,08

0,207

0,379

3,526

255,7

327,87

659,32

1700

1392,621

659,289

Значения

Процесс

Для цикла

0-1

1-2

2-3

3-4

4-5

5-0

62,972

288,378

914,058

-269,98

-649,105

-351,143

0

83,786

384,797

1214,914

-358,841

-856,108

-468,547

0

0

0

1105,753

0

0

-1142,717

-36,964

0

0

1214,914

0

0

-467,381

747,533

83,786

384,797

0

358,841

856,105

0

746,367

7. Определение параметров состояния в промежуточных точках

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

Отсюда, задаваясь значениями параметров

и используя известные величины , найдем параметры промежуточных точек:

Расчетные значения промежуточных точек процессов, как и характерных откладываем на графике p-v и через них проводим плавную кривую процесса (см. рисунок 2). Значения точек сводим  в таблицу 9.

Для построения цикла ГТД  в T-S координатах необходимо интервалы изменения температур от до  и  до  разбить на три примерно равные части. Для значений температур процессов ,  вычисляем соответствующие изменения энтропии  рабочего тела в процессах 2-3 и 0-5 по соотношениям:

Выбираем значения

Находим:

Полученные изменения энтропии откладываем в принятом масштабе на T-S диаграмме и по выбранным значениям Т находим координаты промежуточных точек процесса, через которые проводим плавную кривую (см. рисунок 3). Значения точек сводим в таблицу 9.

Таблица 9 – Значения параметров в промежуточных точках

Параметр

Точка

A

B

C

d

1757541,024

205342,803

170571,404

86510,583

0,1

0,55

1,5

2,5

Параметр

Точка

A

B

c

d

Ti, K

1000

1350

390

525

Процесс

2- a

2-b

0-c

0-d

486,286

836,635

490,086

835,18


8. Расчет энергетических характеристик ГТД

Скорость набегающего потока:

(40)

Скорость истечения газа:

(41)

Удельная тяга двигателя:

(42)

Секундный расход воздуха:

(43)

Масса двигателя:

(44)

Масса топлива, сгорающего в 1 кг воздуха:

(45)

Суммарная масса топлива:

(46)

КПД двигателя:

(47)

Рассчитанные величины сводятся в таблицу 9.

Таблица 9 – Энергетические характеристики ГТД

16,284

746,367

2

С0, м/с

406,885

С5, м/с

1308,49

Rуд, м/с

901,605

Gвозд, кг

5,047

Gдв, кг

101,49

Gтоп,кг

1635,228

61,433

9.Построение идеального цикла в p-v и T-S координатах


Заключение

В данной работе был произведен расчет термодинамических параметров газотурбинного двигателя (состав рабочего тела в характерных точках, калорические и энергетические характеристики) по заданным высоте, продолжительности и скорости полета, тяге двигателя и типу топлива режима полета.

Был построен рабочий цикл ГТД в p-v и T-S координатах.

Для заданного интервала температур термический КПД цикла двигателя меньше термического КПД цикла Карно (термические КПД циклов равны соответственно )


Список использованных источников

  1.  Мухачев Г. А., Щукин В. Е. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991 г. – 400 с.
  2.  Кирилин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. М: Энергоатомиздат, 1983 г. – 416 с.
  3.  Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче/Под редакцией Б. Н. Юдаева. М.: Высшая школа, 1968 г. – 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.

Варгафтик И.Е. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. Нау

EMBED PBrush  

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33922. Закономерные изменения частот за счет изменения варьирующего признака в вариационных рядах 12.67 KB
  Главной задачей анализа вариационных рядов является выявление закономерностей распределения и характера распределения. Тип закономерности распределения это отражение в вариационных рядах общих условий определяющих распределение в однородной совокупности. Следовательно должна быть построена кривая распределения.
33923. Виды дисперсий. Правило сложения дисперсий 23.06 KB
  Правило сложения дисперсий Вариация признака происходит в резте влияния на него различных факторов. Признакам на вариации под влиянием осн. Отклонение индивидуальных значений результативного признака от ср.значения результативного признака для всей совокупности можно представить как сумму отклонений где i текущий номер признака общей совти; j текущий номер группы в интером ряду распределения; среднее значение результативного признака в jгруппе.
33924. Использование показателей вариации в анализе взаимосвязей социально-экономических явлений 15.36 KB
  Эмпирическое корреляционное отношение характеризует тесноту связи; рассчитывается как корень квадратный из эмпирического коэффициента детерминации Оба показателя находятся в пределах от 0 до 1 при этом чем ближе показатели к 1 тем связь между изучаемыми признаками теснее. Для оценки тесноты связи с помощью корреляционного отношения можно воспользоваться шкалой Чеддока: 0103связь слабая 0305связь умеренная 0507связь заметная 0709связь тесная 09099связь весьма тесная.
33925. Теоретические основы выборочного наблюдения 12.04 KB
  Теоретические основы выборочного наблюдения. Выборочное наблюдение относится к несплошному виду наблюдения. Преимущества выборочного наблюдения: экономия средств оперативность получения результатов возможность расширения программы наблюдения возможность проверки качества продукции которая при этом уничтожается высокая достоверность результатов. Совокупность которая получилась в результате отбора единиц для наблюдения наз.
33926. Простая случайная выборка 12.98 KB
  Простая случайная выборка отбор единиц из генеральной совокупности путем случайного отбора но при условии вероятности выбора любой единицы из генеральной совокупности.возвращается в генер. не возвращается в генеральную совокупность. Характеристика генер.
33927. Понятие и виды рядов динамики. Требования к рядам динамики 13.07 KB
  Понятие и виды рядов динамики. Требования к рядам динамики. Ряд динамики ряд стат. Ряд динамики характеризуют 2 элемента: показатель времени t и уровни ряда y числовая характеристика изучаемого явления.
33929. Методы прогнозирования разновидность математических методов прогнозирования, позволяющих построить динамические ряды на перспективу 12.01 KB
  Методы прогнозирования разновидность математических методов прогнозирования позволяющих построить динамические ряды на перспективу. Статистические методы прогнозирования охватывают разработку изучение и применение современных математикостатистических методов прогнозирования на основе объективных данных в том числе непараметрических методов наименьших квадратов с оцениванием точности прогноза адаптивных методов методов авторегрессии и других; развитие теории и практики вероятностностатистического моделирования экспертных методов...
33930. Индексы 13.21 KB
  За базу сравнения могут приниматься плановые показатели если необходимо использовать индексы как показатели выполнения плана По степени охвата элементов явления индексы делят на индивидуальные и общие сводные. Индивидуальные индексы i это индексы которые характеризуют изменение только одного элемента совокупности. Если индексы охватывают только часть явления то их называют групповыми. В зависимости от способа изучения общие индексы могут быть построены или как агрегатные от лат.