Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Курсовая работа

«Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя»

Самара 2014

Задание

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

Таблица 1 Исходные данные

Состав воздуха
Н, м	N2, %	O2, %	CO2, %	H2O, %
7000	77,53	20,39	0,59	1,49
Состав и свойства топлива
	Химическая формула	Содержание серы и влаги, %	Плотность при 200С, кг/м3	Теплота сгорания (низшая) Нu, кДж/кг
ТС - 1	С1,02Н1,99	0,005	0,775	43130
Физические характеристики воздуха в зависимости от высоты полёта
Нп, м	Т0, К	Р0, Н/м2	???кг/м3
7000	242,7	41105	0,590
Дополнительные величины
R, H	7000
???ч	4
T3, K	1700
Тт, К	300
Молекулярная масса, изобарные и изохорные теплоёмкости компонентов смеси
	?? кг/кмоль?	Сp, Дж/кг*К	Cv, Дж/кг*К
N2	28	1039,2	742
O2	32	915	655
CO2	44	814,8	626
H2O	18	1859	1398

Реферат

Курсовая работа: 27 страниц, 4 рисунка, 6 таблиц, 7 источников.

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.

газотурбинный двигатель цикл идеальный

Содержание

Задание

Список условных обозначений и индексов

Введение

1. Краткое описание принципа работы ГТД

2. Расчёт состава рабочего тела цикла

2.1 Расчёт состава рабочего тела

2.2 Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД

2.3 Определение коэффициента избытка воздуха

2.4 Расчёт состава продуктов сгорания и рабочей смеси

3. Расчёт основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД

4. Расчет калорических величин цикла ГТД

4.1 Изменение калорических величин в процессах цикла

4.2 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл

4.3 Расчет работы процессов и полной работы за цикл

5. Расчёт параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения

5.1 Расчёт параметров промежуточных точек при построении цикла ГТД в P - V координатах

5.2 Расчёт процессов, изображаемых в T-S-координатах

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

7. Расчёт энергетических характеристик ГТД

8. Определение работы цикла графическим путем с использованием системы ADEM 3.0

Заключение

Список использованных источников

Список условных обозначений и индексов.

C₀ -- скорость набегающего потока, м/с

C₅ -- скорость истечения газа, м/с

C_p -- изобарная теплоемкость, Дж/кгК

C_v -- 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

R_уд -- 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

Авиационный газотурбинный двигатель (ГТД) является сложной технической системой с высокими удельными параметрами. Конструкция доводилась до совершенства на основе большого объема экспериментальных исследований, накопленной статистики. Технические достижения в области конструкции, материалов, технологии, различных методов повышения нагрузочной способности, усталостной прочности, нашли в современном двигателе самое непосредственное воплощение. В мировой практике разработаны и освоены в производстве двигатели новых поколений, где в конструкцию привнесены качественные изменения, приведшие к существенному повышению удельных эксплуатационных параметров. Продолжающие находиться в эксплуатации и выпускаться, проверенные временем и доведенные на основе анализа результатов практического использования до высокого уровня совершенства ряд моделей ГТД сформировали большой объем практической информации. Данная информация должна использоваться для дальнейшего совершенствования авиационных ГТД подобного класса, а также для разработки новых конструкций двигателей, в том числе последующих поколений.

Качество авиационного двигателя определяется: совершенством конструкции, качеством материалов; технологическими процессами изготовления деталей, технологическими процессами узловой сборки и испытаний узлов и агрегатов, качеством получаемых от поставщиков комплектующих, технологическим процессом сборки двигателя, испытаниями двигателя, метрологическим обеспечением производства в целом, транспортно-складскими операциями, условиями эксплуатации и множеством других факторов.

Целью курсовой работы является расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик ГТД. Расчёты ведутся для идеального цикла ГТД с изобарным подводом тепла.

1. Краткое описание принципа работы ГТД

Газотурбинный двигатель -- тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого двигателя, в ГТД процессы происходят в потоке движущегося газа.

Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо, которое, сгорая, образует большое количество продуктов сгорания под высоким давлением. Далее газовоздушная смесь расширяется и часть её энергии преобразуется в турбине в механическую энергию вращения основного вала. Эта энергия расходуется, в первую очередь, на работу компрессора, а также используется для привода агрегатов двигателя (топливных подкачивающих насосов, масляных насосов и т. п.) и привода электрогенераторов, обеспечивающих энергией различные бортовые системы. Основная часть энергии расширяющейся газовоздушной смеси идёт на ускорение газового потока в сопле и создание реактивной тяги.

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

Рис. 2 Конструктивная схема ВРД: 1 - входное устройство; 2 - осевой компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - турбина; 5 - сопло

2. Расчёт состава рабочего тела цикла

2.1 Расчёт состава рабочего тела

Расчёт массовых и мольных долей компонентов, молекулярной массы, их теплоёмкости производится для воздуха, потребляемого ГТД на высоте полёта самолёта Н = 7000 м и скорости полёта V = 1,1 M.

Объемные доли компонентов в воздухе будут таковыми:

Найдём молекулярную массу смеси:

Массовые доли каждого компонента в 1 кг воздуха найдём по формулам:

Проверка полученных результатов:

Определим мольную долю и массу каждого компонента 1 кг смеси:

Вычислим изобарную и изохорную теплоёмкости смеси, а также коэффициент адиабаты и газовую постоянную смеси:



2.2 Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД

2.3 Определение коэффициента избытка воздуха

Керосин ТС - 1 (С_nH_m).

2.4 Расчёт состава продуктов сгорания и рабочей смеси

Вычислим массы компонентов, а также мольные и массовые доли этих компонентов в смеси продуктов сгорания:

Найдём массу топлива:

т.е. выполняется закон сохранения массы вещества.

Найдём изобарные и изохорные теплоёмкости, коэффициент адиабаты и газовую постоянную смеси продуктов сгорания.

Т.о. газовые постоянные в первом и втором случае получились приблизительно равны между собой:

Таблица 2 Состав рабочего тела цикла ГТД

Параметры, состав	Компоненты
	N2	O2	CO2	H2O
Ri,	297,2	260	188,8	461
Cpi,	1039,2	915	814,8	1859
Cvi,	742	655	626	1398
?i,	28	32	44	18
Gi, кг	Воздух	0,75478	0,22686	0,009	0,0093
	Прод.сгор	0,75478	0,1365	0,0925	0,0426
Mi, моль	Воздух	26,9	7,1	0,20454	0,51667
	Прод.сгор	26,9	4,26	2,1	2,37
gi	Воздух	0,75478	0,22686	0,009	0,0093
	Прод.сгор	0,7354	0,1329	0,0901	0,0415

Таблица 3 Характеристики рабочего тела в цикле ГТД

Смесь	Cp,	Cv,	R,	k	G, кг
Воздух	1016,57	727,3	289,27	1,39	1
Прод. сгор	1036,39	747,14	289,25	1,387	1,0264

3. Расчёт основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД

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

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

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



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

Точка 5. Процесс 4-5 - адиабатное расширение в реактивном сопле двигателя до давления окружающей среды p₀=p₅:

4. Расчет калорических величин цикла ГТД

4.1 Изменение калорических величин в процессах цикла

Найдём изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии во всех процессах (энтропия адиабатных процессов 0-1, 1-2, 3-4, 4-5 равна 0) по соотношениям:

4.2 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл



4.3 Расчет работы процессов и полной работы за цикл

Таблица 4 Значения основных параметров 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
Pi, Па	0,41	0,87	13,19	13,19	5,92	0,41	-
vi, м3/кг	1,6949	0,9846	0,141	0,373	0,663	4,52
Ti, K	242,7	300	642	1700	1358	642
Значения	Процесс	Для цикла
	0-1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-0
Дui, Дж/кг	41674,29	248736,6	790474,12	-255521,88	-534952,24	-290410,89	0
Дhi, Дж/кг	58249,46	347666,94	1096500,62	-354445,38	-742055,24	-405916,4	0
Дsi, Дж/(кгК)	0	0	1009,23	0	0	-988,88	20,35
qi, Дж/кг	0	0	1096500,62	0	0	-405916,4	690584,22
li, Дж/кг	-58249,46	-347666,94	0	354445,38	742055,24	0	690584,22

5. Расчёт параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения

5.1 Расчёт параметров промежуточных точек при построении цикла ГТД в P - V координатах

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 3).

5.2 Расчёт процессов, изображаемых в T-S-координатах

Для построения цикла в T-S координатах разобьем интервалы изменения температур от T₂ до T₃ и от Т₅ до Т₀ на три примерно равные части:

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 4).

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

Таблица 5 Значения параметров в промежуточных точках

Параметр	Точка
	a	b	c	d
	1.21*105	3.19*105	1.59*105	0.67*105
	0,8	0,4	1,6	3,0
Параметр	Точка
	a	b	c	d
Ti, K	995	1348	509	376
	Процесс
	2- a	2-b	0-c	0-d
	454	769	773	465

Рис. 3 Рабочая диаграмма цикла ГТД в p-v координатах

Рис. 4 Рабочая диаграмма цикла ГТД в T-S координатах

7. Расчёт энергетических характеристик ГТД



Таблица 6 Энергетические характеристики идеального ГТД

		?	C0, м/с	C5, м/с
15,087	690584,22	2,5119	343,63	1218,24
Мдв, кг	., кг			Gвозд, кг/с	Rуд, м/с
166,7	2920,32	62,98	85,72	7,8	897,7

8. Определение работы цикла графическим путем с использованием системы ADEM 3.0

Рисунок 5 Расчет площади под рабочей диаграммой цикла ГТД в p-v координатах

,

где S_ц -- площадь цикла в p-v координатах;

;

_l = Дж/кг·мм²-- масштаб;

;

Оценим погрешность:

Рисунок 6 Расчет площади под рабочей диаграммой цикла ГТД в T-S координатах

,

где S_ц -- площадь цикла в T-S координатах;

;

_q = 66,7 Дж/кг·мм² - масштаб;

;

Оценим погрешность:

.

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.

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

Мухачев Г. А., Щукин В. Е. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991 г. - 400 с.

Кирилин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. М: Энергоатомиздат, 1983 г. - 416 с.

Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче/Под редакцией Б. Н. Юдаева. М.: Высшая школа, 1968 г. - 372 с.

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.

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.

Меркулов А.П. Техническая термодинамика: Конспект лекций/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1990. - 235 с.

Толстоногов А.П. Техническая термодинамика: Конспект лекций/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1990. - 100 с.

Размещено на Allbest.ru