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
17 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]
[2] [3] 1. Расчёт состава рабочего тела
[4]
[5] [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] [7.1] Расчет работы процесса и работы за цикл [7.2] 7. Определение параметров состояния в промежуточных точках
[8] [9] 9.Построение идеального цикла в p-v и T-S координатах
[10] |
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 |
Число М |
Время |
Температура |
Тяга |
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;
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
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
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
.
.
(9)
(10)
(11)
(12)
(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 |
(25)
(26)
,
(27)
(28)
(29)
(30)
, - степень повышения температуры
p3 = p2 = 23,758105 Па
(31)
(32)
(33)
(34)
p5 = p0 = 54048 Па
(35)
(36)
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,
- 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 |
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 |
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 |
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
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 | |||
50549. | Измерение с помощью микрометра среднего объёма металлического цилиндра. Расчет абсолютной и относительной погрешности измерения | 75.5 KB | |
Расчётные формулы: формула нахождения среднего объёма цилиндра; Расчёт ошибок прямых измерений. По таблице Стьюдента для доверительной вероятности 095 и числа измерений n определяем 4. Рассчитываем полные погрешности измерений по формуле: 7. Рассчитываем относительные погрешности измерений: Расчет ошибок косвенных измерений. | |||
50551. | Исследование изобарного процесса | 97.5 KB | |
Изучение характеристик процесса изобарного расширения воздуха. Если воздух используемый в качестве рабочего тела находится при малом давлении его можно рассматривать как идеальный газ состояние которого описывается уравнением Клапейрона-Менделеева а если относительные изменения параметров Δφ φ в процессах невелики то такие процессы являются квазиравновесными. Уравнение... | |||
50552. | Исследование изотермического процесса | 113 KB | |
В данной лабораторной работе осуществляется подвод тепла к воздуху при практически атмосферном давлении благодаря чему воздух может рассматриваться как идеальный газ а малые изменения параметров делают процесс квазиравновесным. Описание лабораторной установки. Схема лабораторной установки приведена на рис. Схема лабораторной установки. | |||
50553. | Исследование изохорного процесса | 122.5 KB | |
Изучение характеристик изохорного процесса при подводе тепла к газу. Уравнение процесса имеет вид: или Регистрируя изменение давление и температуры в ходе процесса можно построить его кривую в координатах Р Т а также определить константу и построить расчетную кривую. По результатам опыта строится кривая процесса в координатах Р Т. | |||
50555. | Инструкция по работе с программой RASTR | 121 KB | |
Для перемещения по меню используйте: а клавиши перемещения курсора ENTER для входа в выбранную команду ESC для выхода. б функциональные клавиши нажатие клавиши lt одновременно с выделенной цветом буквой горизонтального меню приводит к попаданию в это меню где бы Вы ни находились. Нажатие выделенной цветом буквы вертикального меню приводит к началу выполнения этой команды используйте клавиши на которые нанесены русские буквы независимо от регистра. | |||