Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя
Определение характеристик и состава рабочего тела. Расчет параметров состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла газотурбинного двигателя и его энергетических показателей. Определение работы и теплоты цикла графическим путем.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.02.2016 |
| Размер файла | 588,6 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе
«Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя»
РЕФЕРАТ
РАБОЧЕЕ ТЕЛО, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ПРОЦЕСС, ЦИКЛ, ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ, ЗАКОН ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА, ТЕПЛОТА, ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, РАБОТА, ТОПЛИВО, РАБОЧАЯ СМЕСЬ, ПРОДУКТЫ СГОРАНИЯ.
Цель работы: расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик ГТД.
В результате работы определены: параметры состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла ГТД, его энергетические показатели. Результаты расчетов характеристик идеального цикла ГТД представлены в графической форме.
- СОДЕРЖАНИЕ
- ВВЕДЕНИЕ
- 1. Описание работы и схема ГТД
- 2. Расчет состава рабочего тела
- 2.1 Определение характеристик воздуха на заданной высоте полета H
- 2.2 Определение (к)opt -- оптимальной степени сжатия в компрессоре
- 2.3 Определение коэффициента избытка воздуха
- 2.4 Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси
- 3. Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя
- 3.1 Расчет основных параметров состояния в характерных точках цикла
- 3.2 Определение калорических величин цикла ГТД
- 3.3 Расчет параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения
- 3.4 Расчет энергетических характеристик ГТД
- 3.6 Определение работы цикла графическим путем
- 3.7 Определение теплоты цикла графическим путем
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- Список использованной литературы
- 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;
Исходные данные
Таблица 1 - Исходные данные
|
Высота полета H, м |
Число М |
Время , ч |
Температура Т, К |
Тяга R, Н |
|
|
9000 |
0,8 |
4 |
1650 |
4000 |
Таблица 2 - Данные МСА
|
Н, м |
Т0, К |
Р0, Н/м2 |
Р1 кг/м3 |
µ105, Нс/м3 |
|
|
9000 |
229,7 |
30800 |
0,467 |
1,49 |
Таблица 3 - Состав топлива
|
Марка топлива |
Химическая формула |
Содержание серы и влаги, % |
Плотность при 20єС |
Низшая теплота сгорания Нu, кДж/кг |
|
|
Т-1 |
0,005 |
0,775 |
43000 |
Таблица 4 - Содержание компонентов воздуха
|
Содержание компонентов воздуха |
|||||
|
N2 |
O2 |
CO2 |
H2O |
||
|
, % |
77,37 |
20,23 |
0,75 |
1,65 |
|
|
, % |
0,7531 |
0,2251 |
0,0115 |
0,01035 |
Таблица 5 - Молярная масса и мольная теплоемкость воздушной смеси
|
Компонент |
, кг/кмоль |
|
|
N2 |
28 |
|
|
O2 |
32 |
|
|
CO2 |
44 |
|
|
H2O |
18 |
рабочий тело термодинамический газотурбинный двигатель
Плотность при 20С 775 кг/м3
ВВЕДЕНИЕ
Авиационные двигатели принадлежат к классу тепловых двигателей внутреннего сгорания, внутри которых происходит сжигание топлива и преобразование части выделившегося тепла в работу.
Все газотурбинные двигатели (ГТД) имеют газогенератор (турбокомпрессор), включающий в себя компрессор, камеру сгорания и газовую турбину, преобразующий потенциальную энергию топлива в так называемую свободную энергию, которая затем с помощью специальных устройств преобразуется в тягу или мощность.
Поэтому данная работа посвящена расчету ГТД.
1. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ И СХЕМА ГТД
1 2 3 4 5 6
Рисунок 1 - Принципиальная схема ГТД: 1 - входное устройство; 2 - компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - газовая турбина; 5 - выходной клапан; 6 - сопло.
В ГТД изображенном на рисунке 1, набегающая струя воздуха, движущаяся со скоростью полета, тормозится в диффузоре, где происходит предварительное сжатие воздуха. Дальнейшее сжатие осуществляется в компрессоре. Но на больших сверхзвуковых скоростях полета динамическое сжатие становится значительным, соизмеримым со всем повышением давления в двигателе. 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 их потенциальной энергии в механическую работу на валу, за счет которой приводятся в движение компрессор и агрегаты двигателя. Окончательное расширение газа, увеличение скорости потока происходит в выходном сопле. Поскольку скорость на выходе из двигателя дальше скорости.
2. РАСЧЕТ СОСТАВА РАБОЧЕГО ТЕЛА
2.1 Определение характеристик воздуха на заданной высоте полета H
Расчёт массовых и мольных долей компонентов и теплоёмкости производится для воздуха, потребляемого двигателем самолёта на высоте полёта Н = 9000м и скорости полёта V = 0,8M.
Найдем удельные газовые постоянные для каждого компонента:
(1),
где R=8314,3·10-3 Дж/мольК;
- молярные массы компонентов - в табл. 5
;
;
;
.
Изохорные теплоемкости компонентов:
Изобарные теплоемкости компонентов:
Массовые доли:
Gвоздуха=1кг
µвоздуха=28,9257 кг/моль
Для газовой смеси определим:
изобарную теплоемкость:
изохорную теплоемкость:
удельную газовую постоянную:
показатель адиабаты:
2.2 Определение (к)opt -- оптимальной степени сжатия в компрессоре
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
(4),
Тогда
Т3=1650 K
Т0=229,7 K
K=1,4
M=0,8
2.3 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:
(5)
где
2.4 Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси
Массы продуктов сгорания (кг):
(6)
(7)
(8)
(9)
Количества вещества продуктов сгорания (моль):
(10)
(11)
(12)
(13)
Мольные доли компонентов (моль):
(14)
Массовые доли компонентов:
(15);
Количество топлива, сгорающего в 1кг воздуха (кг):
(16)
Масса рабочей смеси (кг):
(17)
Теплоемкости рабочей смеси :
(18)
(19)
Газовая постоянная :
(20)
Показатель адиабаты:
(21)
Результаты расчета сведем в Таблицы 6, 7:
Таблица 6 - Состав воздуха и продуктов сгорания
|
Характеристика |
Компонент |
|||||
|
N2 |
O2 |
CO2 |
H2O |
|||
|
Воздух |
1039 |
915 |
815 |
1859 |
||
|
Воздух |
742 |
655 |
626 |
1397 |
||
|
28 |
32 |
44 |
18 |
|||
|
297 |
260 |
189 |
462 |
|||
|
mi, кг |
Воздух |
0.7531 |
0.2251 |
0.0115 |
0.01035 |
|
|
Пр. сгор. |
0.7531 |
0.1385 |
0.0926 |
0.0269 |
||
|
Mi, моль |
Воздух |
26.90 |
7.03 |
0.26 |
0.57 |
|
|
Пр. сгор. |
26.90 |
4.33 |
0.70 |
2.1 |
||
|
gi |
Воздух |
0.7531 |
0.2251 |
0.0115 |
0.01035 |
|
|
Пр. сгор. |
0.747 |
0.137 |
0.0922 |
0.027 |
Таблица 7 - Характеристики рабочего тела в цикле ГТД
|
Смесь |
G, кг |
|||||
|
Воздух |
1010 |
723 |
287 |
1,4 |
1 |
|
|
Продукты сгорания |
1026 |
739 |
286 |
1,39 |
1,0256 |
3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ
3.1 Расчет основных параметров состояния в характерных точках цикла
Точка 1. Процесс 0-1 -- адиабатное сжатие воздуха в диффузоре.
(22)
(23)
,
(24)
Точка 2. Процесс 1-2 -- адиабатное сжатие воздуха в компрессоре:
(25)
(26)
(27)
Точка 3. Процесс 2-3 -- изобарный подвод тепла в камере сгорания:
,
- степень повышения температуры
;
(28)
Точка 4. Процесс 3-4 -- адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине:
(29)
(30)
(31)
Точка 5. Процесс 4-5 -- адиабатное расширение в реактивном сопле ГТД до давления окружающей среды :
:
(32) ;
3.2 Определение калорических величин цикла ГТД
3.2.1 Изменение внутренней энергии в процессе:
(37)
, , , , ,
3.2.2 Изменение энтальпии:
(38)
, , , , , ,
3.2.3 Изменение энтропии:
(39)
;
.
3.2.4 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл:
q0-1 = 0,
q1-2 = 0,
,
q3-4 = 0,
q4-5 = 0,
3.2.5 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,
Проверка:
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 |
|||
|
0,3 |
0,46 |
9,8 |
9,8 |
4,2 |
0,3 |
- |
||
|
2,1 |
1,6 |
0,18 |
0,48 |
0,88 |
5,7 |
- |
||
|
230 |
259 |
616 |
1650 |
1293 |
616 |
- |
||
|
Значения |
Процесс |
Для цикла |
||||||
|
0-1 |
1-2 |
2-3 |
3-4 |
4-5 |
5-0 |
|||
|
21 |
258 |
762 |
-263 |
-500 |
-284 |
- |
||
|
30 |
360 |
1058 |
-365 |
-692 |
-395 |
- |
||
|
- |
- |
1008 |
- |
- |
-1008 |
- |
||
|
0 |
0 |
1058 |
0 |
0 |
395 |
663 |
||
|
-30 |
-360 |
0 |
365 |
693 |
0 |
668 |
3.3 Расчет параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения
Определение значений параметров p и v в промежуточных точках процессов 1-2 и 3-4, 4-5 позволяет построить достаточно точные графики. Поскольку процессы 0-1-2 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 четыре примерно равные части. Для значений температур процессов , вычисляем соответствующие изменения энтропии рабочего тела в процессах 2-3 и 0-5 по соотношениям:
Вычислим параметры промежуточных точек для построения графика цикла ГТД в TS координатах:
Точка а/:
Точка b/:
Точка c/:
Точка d/:
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 - Параметры состояния и изменения энтропии рабочего тела в промежуточных точках процессов цикла
|
Параметр |
Точка |
|||||
|
a |
b |
c |
d |
e |
||
|
2,99 |
1,06 |
6,4 |
0,49 |
1,29 |
||
|
0,42 |
0,88 |
0,65 |
4 |
2 |
||
|
Параметр |
Точка |
|||||
|
a |
b |
c |
d |
|||
|
Ti, K |
1371 |
1305 |
487 |
359 |
||
|
Процесс |
||||||
|
2- a |
2-b |
2-c |
2-d |
|||
|
818 |
768 |
767 |
455 |
3.4 Расчет энергетических характеристик ГТД
Вычислим скорости набегающего потока С0 и скорость истечения газа из реактивного сопла С5 , а также удельную тягу двигателя Rуд, секундный расход воздуха Gвозд, массу двигателя Gдв, суммарную массу топлива Gт, термический КПД и термический КПД цикла Карно, действующего в том же интервале максимальной и минимальной температур.
Таблица 10. Энергетические характеристики идеального ГТД
|
? |
C0, м/с |
C5, м/с |
||||
|
21 |
668 |
2,56 |
242 |
1323 |
||
|
Gдв, кг |
., кг |
Gвозд, кг/с |
Rуд, Н |
|||
|
111,5 |
328,8 |
63,1 |
86,1 |
3,61 |
1108 |
Рисунок 3.5.1 Рабочая диаграмма цикла ГТД
Рисунок 3.5.2 Теплотная диаграмма цикла ГТД
3.6 Определение работы цикла графическим путем
, где Sц -- площадь цикла
pv = pv -- масштаб
p =606.06 Па/мм
v = 0.0416
Оценим погрешность:
3.7 Определение теплоты цикла графическим путем
, где Sц -- площадь цикла в T-S координатах;
TS = TS -- масштаб.
T = 6,67 К/мм
s = 8,71
Оценим погрешность:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе был произведен расчет термодинамических параметров и энергетических величин газотурбинного двигателя для заданного режима полета.
Был построен рабочий цикл ГТД в P-V и T-S координат.
Работа цикла была определена двумя методами - аналитическим и графическим, и была произведена оценка погрешности, ее величина составила 6,7% для P-V координат и 0,3% для T-S координат.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Мухачев Г. А. Термодинамика и теплопередача. [Текст] / Г. А. Мухачев, В. К. Щукин - М.: Высшая школа, 2011 г. - 400 с.
Кирилин В. А. Техническая термодинамика. [Текст] / В. А. Кирилин,
В. В. Сычев, А. Е. Шейндлин - М: Энергоатомиздат, 2012 г. - 416 с.
Белозерцев В.Н. Методические указания по оформлению пояснительной записки к курсовой работе (проекту). [Текст] / В.Н. Белозерцев, В.В. Бирюк, А.П. Толстоногов - Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 2009. - 16 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре газотурбинного двигателя. Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах цикла, параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения.
курсовая работа [278,4 K], добавлен 19.04.2015Расчет параметров рабочего тела в цикле с подводом теплоты при постоянном объеме. Анализ результатов для процесса сжатия. Значения температуры рабочего тела в отдельно взятых точках термодинамического цикла. Температура в произвольном положении поршня.
контрольная работа [36,2 K], добавлен 23.11.2013Определение основных параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла. Вычисление удельной работы расширения и сжатия, количества подведенной и отведенной теплоты. Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах цикла.
курсовая работа [134,6 K], добавлен 20.10.2014Расчет эффективности работы паросилового цикла Ренкина. Определение параметров состояния рабочего тела в различных точках цикла. Оценка потери энергии и работоспособности в реальных процесса рабочего тела. Эксергетический анализ исследуемого цикла.
реферат [180,6 K], добавлен 21.07.2014Определение показателя политропы, начальных и конечных параметров, изменения энтропии для данного газа. Расчет параметров рабочего тела в характерных точках идеального цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания с изохорно-изобарным подводом теплоты.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 03.12.2011Определение параметров рабочего тела. Процессы впуска и сжатия, сгорания, расширения и выпуска; расчет их основных параметров. Показатели работы цикла. Тепловой баланс двигателя, его индикаторная мощность. Литраж двигателя и часовой расход топлива.
контрольная работа [1,4 M], добавлен 20.06.2012Расчет термодинамических процессов и цикла, когда в качестве рабочего тела используется смесь идеальных газов. Основные составы газовых смесей. Уравнение Kлайперона для термодинамических процессов. Определение основных характеристик процессов цикла.
контрольная работа [463,2 K], добавлен 20.05.2012Устройство и принцип работы теплового газотурбинного двигателя, его схема, основные показатели во всех основных точках цикла. Способ превращения теплоты в работу. Определение термического коэффициента полезного действия через характеристики цикла.
курсовая работа [232,8 K], добавлен 17.01.2011Взаимосвязь параметров теплоносителя и рабочего тела, их влияние на показатели ядерной энергетической установки. Определение температуры теплоносителя на входе и выходе ядерного реактора. Общая характеристика метода определения параметров рабочего тела.
контрольная работа [600,3 K], добавлен 18.04.2015Параметры рабочего тела. Количество горючей смеси для карбюраторного двигателя. Индикаторные параметры рабочего цикла. Расчет внешних скоростных характеристик двигателей. Силы давления газов. Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма.
курсовая работа [375,9 K], добавлен 07.07.2015
