ID: 48642

Название работы: Расчет параметров состояния энергетических характеристик газотурбинного двигателя

Категория: Курсовая

Предметная область: Производство и промышленные технологии

Описание: 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...

Язык: Русский

Дата добавления: 2015-01-12

Размер файла: 1009 KB

Работу скачали: 16 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	µ105, Нс/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-6,410-6t2
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/кгК

Cv — изохорная теплоемкость, Дж/кгК

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/кгК

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/мольК; 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 = 23,758105 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
Gтоп,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