Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя
Описание принципа работы ГТД. Расчёты состава рабочего тела, основных параметров его состояния в узловых точках цикла, в промежуточных точках процессов сжатия и расширения. Определение калорических величин цикла и энергетических характеристик ГТД.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.12.2014 |
| Размер файла | 1,6 M |
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/
Реферат
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.
Содержание
Задание
Введение
1. Краткое описание принципа работы 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. 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
5.3 Построение графиков P - V и T - S-координатах
6. Расчёт энергетических характеристик ГТД
7. Определение работы цикла графическим путем с использованием системы ADEM 8.1
Заключение
Список использованных источников
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;
Введение
Газотурбинный двигатель - тепловая машина, предназначенная для преобразования энергии сгорания топлива в кинетическую энергию реактивной струи и (или) в механическую работу на валу двигателя, основными элементами которой являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина. Рабочий процесс ГТД может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объёме.
Авиационные газотурбинные двигатели характеризуются следующими основными параметрами: тягой (мощностью), расходом воздуха, удельной тягой (удельной мощностью), удельным расходом топлива, удельной массой, а также ресурсом и габаритными размерами.
Целью курсовой работы является расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик ГТД. Расчёты ведутся для идеального цикла ГТД с изобарным подводом тепла.
энергетический рабочий газотурбинный двигатель
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 ( рисунок 1).
1 2 3 4 5 6
1 - входное устройство;
2 - компрессор;
3 - камера сгорания;
4 - газовая турбина;
5 - выходной клапан;
6 - сопло;
Рисунок 1 - Устройство газотурбинного двигателя
В ГТД изображенном на рисунке, 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 = 1000 м и скорости полёта V = 0,8 M.
Найдем удельные газовые постоянные для каждого компонента по формуле:
(1)
где R=8314,3·10-3 Дж/мольК; молярные массы компонентов мi - в табл. 5
Изобарные теплоемкости компонентов:
Изохорные теплоемкости компонентов:
(2)
Массовые доли:
Для газовой смеси определим:
изобарную теплоемкость:
изохорную теплоемкость:
удельную газовую постоянную:
показатель адиабаты:
(3)
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
2.3 Определение коэффициента избытка воздуха
Основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной.
Для расчета примем соотношение j для данного вида топлива CnHm:
; .
Коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:
где
2.4 Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси
Массы продуктов сгорания:
Количества вещества продуктов сгорания:
Мольные доли компонентов:
Массовые доли компонентов:
Количество топлива, сгорающего в 1кг воздуха:
Масса рабочей смеси:
Теплоемкости рабочей смеси:
Газовая постоянная:
Показатель адиабаты:
Результаты расчета сведем в Таблицы 2 и 3:
Таблица 2 - Состав воздуха и продуктов сгорания
|
Характеристика |
Компонент |
|||||
|
N2 |
O2 |
CO2 |
H2O |
|||
|
Воздух |
1039 |
915 |
815 |
1859 |
||
|
Воздух |
742 |
655 |
626 |
1398 |
||
|
28 |
32 |
44 |
18 |
|||
|
297 |
260 |
189 |
462 |
|||
|
Gi, кг |
Воздух |
0,75971 |
0,23228 |
0,00168 |
0,00632 |
|
|
Пр. сгор. |
0,7597 |
0,1392 |
0,0875 |
0,0406 |
||
|
Mi, кмоль |
Воздух |
0,0271 |
0,00726 |
0,000038 |
0,00035 |
|
|
Пр. сгор. |
0,0268 |
0,0049 |
0,001681 |
0,006815 |
||
|
gi |
Воздух |
0,75971 |
0,23228 |
0,99168 |
0,00632 |
|
|
Пр. сгор. |
0,7397 |
0,1355 |
0,0852 |
0,0392 |
Таблица 3 - Характеристики рабочего тела в цикле ГТД
|
Смесь |
|
|
G, кг |
|||
|
Воздух |
1015 |
726 |
289,26 |
1,39 |
1 |
|
|
Продукты сгорания |
1036 |
746 |
290 |
1,39 |
1,0272 |
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 воздуха в компрессоре:
Точка 3. Процесс 2-3 -- изобарный подвод тепла в камере сгорания:
, - степень повышения температуры
Точка 4. Процесс 3-4 -- адиабатное расширение продуктов сгорания в турбине:
Точка 5. Процесс 4-5 -- адиабатное расширение в реактивном сопле ГТД до давления окружающей среды:
(32)
4. Расчет калорических величин цикла ГТД
4.1 Изменение калорических величин в процессах цикла
Найдём изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии во всех процессах.
Изменение внутренней энергии в процессе:
Изменение энтальпии:
Изменение энтропии:
4.2 Расчет теплоты процессов и тепла за цикл
4.3 Расчет работы процессов и полной 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 4.
Таблица 4 - 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 |
|||
|
|
1,013 |
1,402 |
17,641 |
17,641 |
7,01 |
1,013 |
- |
|
|
0,9 |
0,71 |
0,1 |
0,23 |
0,45 |
1,8 |
- |
||
|
281,7 |
308,6 |
628 |
1400 |
1080,6 |
628 |
- |
||
|
Значения |
Процесс |
Для цикла |
||||||
|
0-1 |
1-2 |
2-3 |
3-4 |
4-5 |
5-0 |
|||
|
19,5 |
231,9 |
575,9 |
-238,3 |
-337,6 |
-251,4 |
0 |
||
|
27,3 |
324,2 |
799,8 |
-330,9 |
-468,9 |
-351,5 |
0 |
||
|
0 |
0 |
828,8 |
0 |
0 |
-813,7 |
15,1 |
||
|
0 |
0 |
799,8 |
0 |
0 |
351,5 |
448,3 |
||
|
-27,3 |
-324,2 |
0 |
330,9 |
468,9 |
0 |
448,3 |
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 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 (рисунок 2). Значения точек сводим в таблицу 5
5.2 Расчёт процессов, изображаемых в T-S-координатах
Для построения цикла ГТД в T-S координатах необходимо интервалы изменения температур от T2 до T3 и T5 до T0 разбить на четыре примерно равные части. Для значений температур процессов T2-a', T2-b' вычисляем соответствующие изменения энтропии рабочего тела в процессах 2-3 и 5-0 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 (рисунок 3). Значения точек сводим в Таблицу 5.
Таблица 5- Параметры состояния и изменения энтропии рабочего тела в промежуточных точках процессов цикла
|
Параметр |
|||||||
|
a |
b |
n |
c |
d |
f |
||
|
3.12 |
8, 17 |
13,4 |
3,11 |
1,77 |
12,32 |
||
|
0,4 |
0,2 |
0,3 |
0,8 |
1,2 |
0,3 |
||
|
Параметр |
Точка |
||||||
|
a |
b |
c |
d |
||||
|
Ti, K |
885 |
1142 |
510 |
400 |
|||
|
Процесс |
|||||||
|
2- a |
2-b |
0-c |
0-d |
||||
|
355,4 |
620 |
602,5 |
356 |
5.3 Построение графиков P - V и T - S-координатах
Рисунок 2 - Рабочая диаграмма цикла ГТД в P - V координатах
Рисунок 3 - Тепловая диаграмма цикла ГТД в T - S координатах
6. Расчёт 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.
Скорость набегающего потока:
Скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя:
Удельная тяга двигателя:
Расход воздуха:
Масса топлива:
Масса двигателя:
Суммарная масса топлива за время полета:
Термический коэффициент полезного действия ГТД:
Термический коэффициент полезного действия ГТД по циклу Карно:
Результаты занесем в Таблицу 6:
Таблица 6. Энергетические характеристики идеального ГТД
|
б |
C0, м/с |
C5, м/с |
||||
|
12,6 |
448298 |
2,496 |
235,6 |
968,4 |
||
|
Gдв, кг |
., кг |
Gвозд, кг/с |
Rуд, Н |
|||
|
1518 |
26022,2 |
56 |
80 |
53,15 |
752,6 |
Определение работы цикла графическим путем с использованием системы ADEM 8.1
Рисунок 4 - Расчет площади под рабочей диаграммой цикла ГТД в p-v координатах
где Sц -- площадь цикла в P-V координатах;
;
Дж/кг·мм2-- масштаб
;
Оценим погрешность:
Рисунок 5 - Расчет площади под рабочей диаграммой цикла ГТД в T-S координатах
где Sц -- площадь цикла в T-S координатах;
;
Дж/кг·мм2-- масштаб
;
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.
Для заданного интервала температур термический КПД цикла двигателя меньше термического КПД цикла Карно (термические КПД циклов равны соответственно )
Список использованных источников
1. Ляшков В.И. Теоретические основы теплотехники: учебное пособие. [Текст]/ Ляшков В.И. - М: Высш. Шк, 2008. - 318 с.
2. Кирилин, В. А. Техническая термодинамика[Текст]/ В. А. Кирилин ,Сычев В. В., Шейндлин А. Е.- М: Энергоатомиздат, 1983 г. - 416 с.
3. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче[Текст]/Под редакцией Б. Н. Юдаева.- М.: Высшая школа, 1968 г. - 372 с.
4. Белозерцев В.Н., Бирюк В.В., Толстоногов А.П. Методические указания по оформлению пояснительной записки к курсовой работе (проекту). [Текст]/ Самара. СГАУ им С.П. Королева, 2012. - 50 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 19.04.2015Определение 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 21.07.2014Расчет 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 23.11.2013Характеристика термодинамического состояния идеального газа в переходных точках. Изменение калорических характеристик при переходе рабочего тела из начального состояния в конечное. Расчет количества теплоты, деформационной работы и работы перемещения.
контрольная работа [924,3 K], добавлен 21.11.2010Молярная масса и массовые теплоемкости газовой смеси. Процесс адиабатного состояния. Параметры рабочего тела в точках цикла. Влияние степени сжатия, повышения давления и изобарного расширения на термический КПД цикла. Процесс отвода теплоты по изохоре.
курсовая работа [35,7 K], добавлен 07.03.2010Определение 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 20.06.2012Определение 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 03.12.2011Устройство 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 17.01.2011- Расчет параметров теплоэнергетической установки с промежуточным перегревом пара и регенерацией тепла
Параметры рабочего тела во всех характерных точках идеального цикла. Определение КПД идеального цикла Ренкина. Энергетические параметры для всех процессов, составляющих реальный цикл. Уравнение эксергетического баланса. Цикл с регенеративным отводом.
курсовая работа [733,4 K], добавлен 04.11.2013 Расчет 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 20.05.2012Взаимосвязь 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 18.04.2015Тепловой расчет бензинового двигателя. Средний элементарный состав бензинового топлива. Параметры рабочего тела. Параметры окружающей среды и остаточные газы. Процесс впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Индикаторные параметры рабочего цикла.
контрольная работа [588,6 K], добавлен 24.03.2013Исследование изобарных, изохорных, изотермических и адиабатных процессов. Определение показателя политропы для заданного газа, изменения энтропии, начальных и конечных параметров рабочего тела. Изучение цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания.
контрольная работа [347,5 K], добавлен 12.02.2012Расчет параметров состояния в контрольных точках цикла Брайтона без регенерации тепла. Изучение конца адиабатного процесса сжатия. Нахождение коэффициента теплоемкости при постоянном объеме и при постоянном давлении. Вычисление теплообменного аппарата.
курсовая работа [902,9 K], добавлен 01.04.2019Расчет параметров газовой смеси: ее молекулярной массы, газовой постоянной, массовой изобарной и изохорной теплоемкости. Проверка по формуле Майера и расчет адиабаты. Удельная энтропия в характерных точках цикла и определение термического КПД цикла Карно.
контрольная работа [93,6 K], добавлен 07.04.2013Параметры 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 07.07.2015Описание идеальных и реальных циклов двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрение термодинамических процессов, происходящих в циклах. Изучение основных формул для расчета энергетических характеристик циклов и параметров в их характерных точках.
курсовая работа [388,1 K], добавлен 13.06.2015Расчет термодинамических параметров быстроходного автомобильного дизельного двигателя со смешанным теплоподводом в узловых точках. Выбор КПД цикла Карно в рабочем интервале температур. Вычисление значений термического коэффициента полезного действия.
курсовая работа [433,2 K], добавлен 13.07.2011Тепловой расчет двигателя внутреннего сгорания. Определение параметров в начале и в конце сжатия, а также давления сгорания. Построение политропы сжатия и расширения. Индикаторная диаграмма расчетного цикла. Конструктивный расчет деталей дизеля.
дипломная работа [501,1 K], добавлен 01.10.2013
