Расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Самарский Государственный Аэрокосмический Университет

имени академика С.П. Королева

(национальный исследовательский университет)»

Факультет заочного образования

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Курсовая работа по дисциплине ”Термодинамика”

Вариант №10

Выполнил: студент гр. 9231 Б 318

Петров А.Л.

Проверил: преподаватель

Белозерцев В.Н.

Самара 2014г.

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка: 29 стр.

Рисунков:2

Таблиц: 9

Источников: 9

Смесь, рабочее тело, параметры состояния, диффузор, компрессор, турбина, сопло, топливо, продукты сгорания, тяга, степень повышения давления, коэффициент избытка воздуха, энтропия, энтальпия, число маха, удельная работа, теплоёмкость, удельный объём, газовая постоянная.

Цель работы: расчет параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик газотурбинного двигателя.

В результате работы определены: характеристики воздуха на заданной высоте полета, оптимальная степень сжатия воздуха в компрессоре, состав продуктов сгорания и основные параметры в характерных точках цикла. Рассчитаны энергетические величины цикла в его процессах, построен рабочий цикл ГТД в p-v и T-S координатах.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

.        Расчёт состава рабочего тела цикла

.1      Расчёт состава воздуха

.2      Расчёт оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД.

.3      Вычисление коэффициента избытка воздуха

.4      Расчёт состава продуктов сгорания.

.        Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя.

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

.2      Расчёт калорических величин цикла ГТД.

.2.1   Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах цикла.

.2.2   Расчёт теплоты процессов и тепла за цикл.

.2.3   Расчёт удельной работы процессов и тепла за цикл.

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

.3.1   Процессы, изображаемые в P - V координатах.

.3.2   Процессы, изображаемые в T - S координатах.

.3.3   Сравнение данных, полученных с диаграмм с аналитическим расчётом.

.4      Расчёт энергетических характеристик ГТД.

Заключение

Список использованных источников.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

- изобарная теплоёмкость, ;

- изохорная теплоёмкость, ;

- массовый секундный расход,;

- удельная энтальпия, ;

- показатель адиабаты;

- удельная работа, ;

- число Маха;

- мольная масса компонента смеси,;

- давление, ;

- удельное тепло, ;

- тяга, ;

- газовая постоянная, ;

- энтропия, ;

- температура, ;

- удельная внутренняя энергия, ;

- удельный объём, ;

- коэффициент избытка воздуха;

- молекулярная масса, .

Индексы

- оптимальный;

- топливо;

- номер компонента, процесса;

- цикл;

- параметр, относящийся к продуктам сгорания.

ВВЕДЕНИЕ

Основная цель курсовой работы по термодинамике - ознакомиться с методикой расчета параметров состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла газотурбинного двигателя (ГТД), его энергетических характеристик, графического построения цикла.

На первом этапе определяются характеристики газовой смеси продуктов сгорания в условиях, когда при сжигании топлива в ГТД химический состав рабочего тела существенно изменяется.

На втором этапе определяются основные параметры состояния рабочего тела и другие энергетические характеристики двигателя, выполняется графическое построение цикла в  и T-S координатах.

Предполагается, что процессы в цикле обратимы (цикл обратим), гидравлические, тепловые и механические потери отсутствуют, а рабочее тело идеальный газ.

Таблица 1 - Исходные данные

Топливо	Высота,Число ,
керосин Т	9000	2,6	6	1	1300

Таблица 2 - Характеристики топлива

Топливо
Формула                Сод. серы и влаги %                Плотность при 20°С Тепл. сгор. (низш.)
-0.843000

Таблица 3 - Характеристики атмосферы

Атмосфера
Международная стандартная атмосфера
229,7		30800	0,467			1,49
Состав атмосферы по высоте
N2,%	O2,%			CO2,%	H2O,%
77,37	20,23			0,75	1,65

Таблица 4 - Характеристики компонентов смеси

Свойства компонентов смеси
	Cp, кДж/кмоль× град
N2	28	297	28,97+0,00257t
O2	32	260	29,55+0,00340t
CO2	44	189	36,04+0,02t-6,4×10-6t2
H2O	18	462	32,88+0,00544t

1. 
РАСЧЁТ СОСТАВА РАБОЧЕГО ТЕЛА ЦИКЛА

 

1.1    РАСЧЁТ СОСТАВА ВОЗДУХА

Найдем молярные теплоёмкости

Зная молекулярные массы компонентов в воздухе и удельные газовые постоянные (в соответствии с таблицей 4) можно найти искомые теплоемкости.

Определим изобарную теплоёмкость каждого компонента

Определим изохорную теплоёмкость каждого компонента

давление компрессор газотурбинный двигатель

Найдём характеристики смеси:

Молекулярная масса смеси

Из условия доля каждого компонента в составе атмосферы будут следующими:

Изохорная и изобарная теплоемкости

,

где - массовая доля каждого компонента смеси

Масса каждого компонента в 1 кг смеси:

газовая постоянная

показатель адиабаты

1.2    РАСЧЁТ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КОМПРЕССОРЕ ГТД

Оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре ГТД определяется по формуле:

1.3    ВЫЧИСЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА

Основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной. Для расчета примем соотношение  для заданного вида топлива:

, n=1; m=1,96

;

Коэффициент избытка воздуха определяется по формуле:

1.4    РАСЧЁТ СОСТАВА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Определим моли компонентов:

Определим массы компонентов:

Определим массовые доли компонентов:

Найдём массу топлива:

Найдём изобарную и изохорную теплоёмкости, а также коэффициент адиабаты и газовую постоянную для продуктов сгорания:

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

Таблица 5 - Состав рабочего тела цикла ГТД

Характеристики		Компоненты
		N2	O2	CO2	H2O
297260189462
1030,64918,81799,071813,55
733,64658,81610,071351,55
28324418
Воздух0,7530,2250,01140,0103
	Прод. сг.	0,753	0,162	0,0696	0,0336
Воздух0,02690,00700,00020,0005
	Прод. сг.	0,0269	0,005	0,0015	0,0018
Воздух0,7530,2250,01140,0103
	Прод. сг.	0,7395	0,1591	0,0683	0,033
Воздух0,77370,20230,00750,0165
	Прод. сг.	0,7642	0,142	0,0426	0,0511

Таблица 6 - Характеристики рабочего тела цикла ГТД

Рабочее тело	Характеристики
Воздух	1010,451	288,912	1,4	1
Прод. сг.	1146,974	857,822	289,152	1,33	1,0182

2.      РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

 

.1 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,  - задано;

 - степень повышения температуры:

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 :

2.2 РАСЧЁТ КАЛОРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЦИКЛА ГТД

 

.2.1 ИЗМЕНЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ, ЭНТАЛЬПИИ И ЭНТРОПИИ В ПРОЦЕССАХ ЦИКЛА

Энтропия адиабатных процессов 0-1, 1-2, 3-4, 4-5 равна 0. Найдём изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии во всех процессах по формулам:

внутренняя энергия в процессе

погрешность:

энтальпия

погрешность:

энтропия

2.2.2 РАСЧЁТ ТЕПЛОТЫ ПРОЦЕССОВ И ТЕПЛА ЗА ЦИКЛ

Преобразованное тепло:

 

2.2.3 РАСЧЁТ УДЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ПРОЦЕССОВ И ТЕПЛА ЗА ЦИКЛ

Таблица 7 - Значения основных параметров состояния рабочего тела цикла, изменение калорических параметров в процессах и за весь цикл ГТД

Значения	Точки							Для цикла
	0		1	2	3	4	5
3080061436763894163894120771530800_
2,140,2520,2450,591,375,75_
229,7540,25461300983,7612,6_
Значения	Процессы							Для цикла
	0-1	1-2		2-3	3-4	4-5	5-0
2240384184,9646798-271329-318338-2762779076,4
3137455860,6864818-362788-425642-3869029092,5
00864818,400386901,7477916,7
-313745-5860,603627884256420468824,2

2.3 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ТОЧКАХ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ

 

.3.1 ПРОЦЕССЫ, ИЗОБРАЖАЕМЫЕ В P - V КООРДИНАТАХ

2.3.2 ПРОЦЕССЫ, ИЗОБРАЖАЕМЫЕ В T - S КООРДИНАТАХ

Таблица 8 - Параметры состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов и изменение энтропии

Значения	Точки
1,50,52,54,5
264,6410,7806,6664,4
Значения	Процесс
331,7663,3-330,4-660,8

На графиках, расположенных ниже, представлено изображение цикла в  и T-S координатах.

Рисунок 1 - Рабочая диаграмма цикла ГТД в р-V координатах

 

Рисунок 2 - Тепловая диаграмма цикла ГТД в T-S координатах

2.3.3 СРАВНЕНИЕ ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ С ДИАГРАММ С АНАЛИТИЧЕСКИМ РАСЧЁТОМ

диаграмма

диаграмма

2.4 РАСЧЁТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГТД.

Энергетические характеристики ГТД следующие:

− скорость набегающего потока,

− скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя,

− удельная тяга двигателя,

− секундный расход воздуха,

− масса двигателя,

− масса топлива, сгорающего в 1  воздуха,

− суммарная масса топлива за время полета,

− термический коэффициент полезного действия ГТД

Таблица 9 - Энергетические характеристики ГТД

1,04	3,57	468824,2	73,38	81,7	173,46	5882,4	54,2

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы был исследован цикл работы идеального ГТД, произведены расчеты, определяющие состав рабочего тела цикла, рассчитаны параметры состояния рабочего тела и энергетические характеристики двигателя, построен цикл ГТД в  и  координатах. Был вычислен КПД цикла, причем:

Видно, что КПД нашего ГТД меньше коэффициента полезного действия двигателя с циклом Карно для заданного интервала температур, что вполне согласуется с теорией.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Мухачев Г. А., Щукин В. К. Термодинамика и теплопередача: Учеб. для авиац. вузов. - 3-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., 1991. - 480 с.: ил.

2. Теплотехника. Метод. указания. Сост.: Белозерцев В.Н., Бирюк В.В., Толстоногов А.П. - Самара, СГАУ, 2001, - 40 с.

3. Болгарский А.В. и др. Сборник задач по термодинамике и теплопередаче - М.: Высш. шк., 1972, - 303 с.

4. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. Энергоатомиздат, 1983. -416

5. Меркулов А.П. Техническая термодинамика. Конспект лекций/Куйбышев. авиац. Ин-т. 1987. -16 с.

6. Чиркин Х. У. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Акад. И.К. Кихоина. Атомиздат, 1976г.

7. Кондратьев Д.В., Лыков О.В Теория теплопроводности. М., 1967.-559 с.

8. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Л.-М., 1959.-414 с.

9. Авдуевский В.С., А.В. Бубен Основы теплопередачи в авиационной и ракето-космической технике. М., 1975. - 623 с.