Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя

Министерство образования и  науки

Российской Федерации

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО 

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ 

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА

(НАЦИОНАЛЬНЫЙ  ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» 

(СГАУ)

 

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа по курсу ”Термодинамика”

 

«Расчет параметров состояния  рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного

двигателя»

 

 

 

Вариант № 17

 

 

 

 

 

 

                                                                    Выполнил: .

                                                      Группа:    

                                                                               Преподаватель:.

 

 

 

 

Самара 2012

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. Масса воздуха G = 1 кг. Топливо – керосин ТС-2. 

 

Таблица 1 - Исходные данные

Состав воздуха
Н, м	N2, %			O2, %			CO2, %			H2O, %
9000	77,37			20,23			0,75			1,65
Состав и свойства топлива
	Химическая формула		Содержание серы и влаги, %			Плотность при 200С, кг/м3			Теплота сгорания (низшая) Нu, кДж/кг
Т – 2	С1,1Н2,15		0,005			0,775			43130
Физические  характеристики воздуха в зависимости  от высоты полёта
Нп, м		Т0, К			Р0, Н/м2			r, кг/м3
9000		229,7			30800			0,467
Дополнительные величины
R, H					4000
t, ч					4
T3, K					1650
Тт, К					300
Молекулярная масса, изобарные и  изохорные теплоёмкости компонентов  смеси
		m, кг/кмоль			Сp, Дж/кг*К			Cv, Дж/кг*К
N2		28			1039			742
O2		32			915			655
CO2		44			815			626
H2O		18			1859			1398

 

 

Реферат

Курсовая  работа: 30 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 a 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.

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 6

1. Краткое описание принципа работы ГТД 7

2. Расчёт состава рабочего тела цикла 8

2.1. Расчёт состава рабочего тела 8

2.2. Расчёт оптимального значения степени повышения давления в    компрессоре ГТД 9

2.3. Определение коэффициента избытка воздуха 10

2.4. Расчёт состава продуктов сгорания и рабочей смеси 11

3. Расчёт основных параметров состояния рабочего тела в узловых точках цикла ГТД 14

4. Расчет калорических величин цикла ГТД 16

4.1 Изменение калорических величин в процессах цикла 16

4.2 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл 17

4.3 Расчет работы процессов и полной работы за цикл 17

5. Расчёт параметров состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов сжатия и расширения 19

5.1 Расчёт параметров промежуточных точек при построении цикла ГТД в 19

P – V координатах 19

5.2 Расчёт процессов, изображаемых в T-S-координатах 20

6. Построение идеального цикла в p-v и T-S координатах 21

7. Расчёт энергетических характеристик ГТД 24

8. Определение работы цикла графическим путем с использованием системы ADEM 8.1 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Ошибка! Закладка не определена.

 

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И ИНДЕКСОВ

 

C₀ — скорость набегающего потока, м/с

C₅ — скорость истечения газа, м/с

C_p — изобарная теплоемкость, Дж/кг×К

C_v — 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

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

a — коэффициент избытка воздуха

D — изменение параметра

h_t — термический к. п. д., %

r₀ — плотность воздуха, кг/м³

t — 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 (рисунок 1), в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины.  Применяется в основном на ТЭЦ для привода электрических генераторов, в качестве двигателей транспортных машин, авиационных двигателей, силовых установок судов. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объёме.

Принципиальная схема ГТД со сгоранием  топлива при p = const показана на рисунке 2. Принцип его работы следующий: при полёте самолёта набегающий поток воздуха поступает в диффузор и там сжимается. Затем попадает в компрессор 2, где опять подвергается сжатию. Далее сжатый воздух поступает в камеру сгорания 3, где происходит сгорание топливно-воздушной смеси и, следовательно, осуществляется 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 охлаждаются 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 учётом этой особенности.

 

 

 

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 = 9000 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 – 2 (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.е. газовые постоянные в первом и втором случае получились приблизительно  равны  между собой: 

 

 

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

Результаты  расчетов приведены в таблице 2 и 3. 

Параметры, состав		Компоненты
		N2	O2	CO2	H2O
Ri,		297	260	189	461
Cpi,		1039	915	815	1859
Cvi,		742	655	626	1398
mi,		28	32	44	18
Gi, кг	Воздух	0,74702	0,2232	0,01137	0,01024
	Прод.сгор	0,74702	0,13601	0,09197	0,0425
Mi, моль	Воздух	0,02667	0,00697	0,00025	0,01024
	Прод.сгор	0,02667	0,00424	0,00208	0,01037
gi	Воздух	0,74702	0,2232	0,01137	0,01024
	Прод.сгор	0,73417	0,13367	0,09038	0,04176