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

.1Расчёт состава воздуха

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

.3Вычисление коэффициента избытка воздуха

.4Расчёт состава продуктов сгорания.

.Расчёт параметров состояния рабочего тела и энергетических характеристик двигателя.

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

.2Расчёт калорических величин цикла ГТД.

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

.2.2Расчёт теплоты процессов и тепла за цикл.

.2.3Расчёт удельной работы процессов и тепла за цикл.

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

.3.1Процессы, изображаемые в P - V координатах.

.3.2Процессы, изображаемые в T - S координатах.

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

.4Расчёт 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.

Исходные данные

Таблица 1 - Исходные данные

ТопливоВысота,Число , керосин Т90002,6611300

Таблица 2 - Характеристики топлива

ТопливоФормулаСод. серы и влаги %Плотность при 20°С Тепл. сгор. (низш.)
-0.843000 Таблица 3 - Характеристики атмосферы

АтмосфераМеждународная стандартная атмосфера229,7308000,4671,49Состав атмосферы по высотеN2,%O2,%CO2,%H2O,%77,3720,230,751,65

Таблица 4 - Характеристики компонентов смеси

Свойства компонентов смеси?Cp, кДж/кмоль× градN22829728,97+0,00257tO23226029,55+0,00340tCO24418936,04+0,02t-6,4×10-6t2H2O1846232,88+0,00544t

1.РАСЧЁТ СОСТАВА РАБОЧЕГО ТЕЛА ЦИКЛА

1.1РАСЧЁТ 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:

Мольная доля каждого компонента

газовая постоянная

показатель адиабаты

1.2РАСЧЁТ ОПТИМАЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КОМПРЕССОРЕ ГТД

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

1.3ВЫЧИСЛЕНИЕ 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:

1.4РАСЧЁТ 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

ХарактеристикиКомпонентыN2O2CO2H2O2972601894621030,64918,81799,071813,55733,64658,81610,071351,5528324418Воздух0,7530,2250,01140,0103Прод. сг.0,7530,1620,06960,0336Воздух0,02690,00700,00020,0005Прод. сг.0,02690,0050,00150,0018Воздух0,7530,2250,01140,0103Прод. сг.0,73950,15910,06830,033Воздух0,77370,20230,00750,0165Прод. сг.0,76420,1420,04260,0511

Таблица 6 - Характеристики рабочего тела цикла ГТД

Рабочее телоХарактеристикиВоздух1010,451721,539288,9121,41Прод. сг.1146,974857,822289,1521,331,0182

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

ЗначенияТочкиДля цикла0123453080061436763894163894120771530800_2,140,2520,2450,591,375,75_229,7540,25461300983,7612,6_ЗначенияПроцессыДля цикла0-11-22-33-44-55-02240384184,9646798-271329-318338-2762779076,43137455860,6864818-362788-425642-3869029092,50099500-991,19000864818,400386901,7477916,7-313745-5860,603627884256420468824,2

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

ЗначенияТочки1,50,52,54,5264,6410,7806,6664,4ЗначенияПроцесс331,7663,3-330,4-660,8

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

1,043,57468824,273,3881,7173,465882,454,2ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.