Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 52
Расчётно-пояснительная записка к курсовой работе «Расчет идеального цикла ГТД» Самара 2010 Рассчитать идеальный цикл ГТД тягой R при полёте с числом М за время τ (час) по заданной высоте Н при температуре Т3
газа перед турбиной. Исходные данные приведены в табл. 1, 2, 3, 4, 5. Масса воздуха G= 1 кг. Топливо – керосин Т-2 с начальной температурой TT
= 300 K. Таблица 1 – Исходные данные Таблица 2 – Данные МСА Таблица 3 – Состав топлива Таблица 4 – Объёмный состав воздушной смеси Таблица 5 – Молярная масса компонентов воздушной смеси
Определены следующие параметры, характеризующие воздух в точке 0 цикла ГТД: молекулярные массы, количество вещества, мольные и массовые доли, удельные газовые постоянные, изобарные и изохорные теплоёмкости компонентов воздуха, поступающего в диффузор, показатель адиабаты. Рассчитано оптимальное значение степени сжатия воздуха в компрессоре, обеспечивающее максимально полезную работу цикла для заданного значения температуры Т3
. Вычислен коэффициент избытка воздуха a в камере сгорания. Найдены значения масс, количества вещества, мольных и массовых долей компонентов рабочего тела, как смеси продуктов сгорания и избыточного воздуха. Рассчитано количество топлива, сгорающего в 1 кг воздуха. Определена масса рабочей смеси, удельная изобарная и изохорная теплоёмкости, газовая постоянная и показатель адиабаты, характеризующие смесь при температуре Т3
. Результаты расчётов 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. Изображён идеальный цикл в p-v и T-S-координатах. Определены погрешности рассчитанных Авиационный газотурбинный двигатель является сложной технической системой с высокими удельными параметрами. Конструкция доводилась до совершенства на основе большого объёма 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 доведённые на основе анализа результатов практического использования до высокого уровня совершенства ряд моделей ГТД сформировали большой объём практической информации. Циклы ГТД подразделяются на две основные группы: с подводом тепла при p
= const и с подводом тепла при v
= const. 1. Описание работы двигателя
Принципиальная схема ГТД со сгоранием топлива при p
= const показана на рисунке 1. 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. Расход воздуха на горение и количество продуктов сгорания определяются уравнениями химических реакций окисления элементов горючего с учётом содержания их в топливе. Рисунок 1 – Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при 2.
Расчёт состава рабочего тела
Расчёт количества вещества, массовых и мольных долей компонентов и теплоёмкостей производится для воздуха, потребляемого двигателем самолёта на высоте полёта Н=10000 м. Рассчитаем массовые доли по формуле: Обозначим Тогда: Рассчитаем количество вещества: Найдём удельную газовую постоянную для каждого компонента по формуле: где R
=8,314 Удельные изобарные теплоёмкости компонентов: Удельные изохорные теплоёмкости компонентов найдём по формуле: Для газовой смеси определим удельную изобарную теплоёмкость: И удельную изохорную теплоёмкость: Показатель адиабаты: Удельную газовую постоянную: 2.2 Определение оптимальной степени сжатия в компрессоре ГТД
Для заданного числа М полёта 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 Подставив исходные и рассчитанные в разделе 1.1 значения в формулу (5), получим: 2.3 Определение коэффициента избытка воздуха
Основано на обеспечении заданной температуры перед турбиной. Для расчёта примем соотношение Для топлива керосин Т-2 с химической формулой Коэффициент избытка воздуха определяется по формуле: Тогда: 2.4 Расчёт состава продуктов сгорания и рабочей смеси
Мольные доли компонентов: Массовые доли компонентов: Количество топлива, сгорающего в 1 кг воздуха: Масса рабочей смеси: Удельные теплоёмкости рабочей смеси: Газовая постоянная: Показатель адиабаты: Результаты расчётов сведём в таблицы 6 и 7. Таблица 6 – Состав рабочего тела цикла ГТД Таблица 7 – Характеристики рабочего тела в цикле ГТД
Точка 5. Процесс 4–5 – адиабатное расширение в реактивном сопле ГТД
до давления окружающей среды 4.1 Определение изменений калорических величин в процессах цикла
Внутренняя энергия в процессе: Энтальпия: Энтропия для изобарного процесса вычисляется по формуле: 4.2 Расчёт теплоты процессов и тепла за цикл
Подводимую и отводимую удельные теплоты в изобарном процессе рассчитаем по формуле: Таким образом, Вычислим Рассчитаем Результаты расчётов представлены в таблице 8. Таблица 8 – Основные параметры состояния рабочего тела в узловых точках цикла, изменение калорических параметров в процессах и за весь цикл идеального ГТД 5.1 Расчёт для процессов, изображаемых в
p
-
v
-координатах
Определение значений параметров p и v
в промежуточных точках процессов 1–2, 3–4 и 4–5 позволяет построить достаточно точные графики. Поскольку процессы 1–2 и 3–4–5 адиабатные, то для любой пары точек на них справедливы соотношения: Отсюда, задаваясь значениями параметров Значения точек сведём в таблицу 9. Промежуточные точки процессов также, как и характерные, откладываем на графике p-v
и через них проводим плавную кривую процесса. 5.2 Расчёт для процессов, изображаемых в
T
-
S
-координатах
Для построения цикла ГТД в T-S координатах необходимо интервалы изменения температур от Вычислим параметры промежуточных точек для построения графика цикла ГТД в T-S координатах: Значения полученных точек отразим в таблице 9. 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. Таблица 9 – Параметры состояния рабочего тела в промежуточных точках процессов и изменение энтропии 6. 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 Скорость набегающего потока: Скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя: Удельная тяга двигателя: Расход воздуха: Масса двигателя: Суммарная масса топлива за время полёта: Термический коэффициент полезного действия ГТД: Термический коэффициент полезного действия ГТД по циклу Карно: Таблица 10 – Энергетические характеристики идеального ГТД
Список использованных источников
1. Мухачев Г.А., Щукин В.Е. Термодинамика и теплопередача. М.: Высшая школа, 1991 г. – 400 с. 2. Кирилин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М: Энергоатомиздат, 1983 г. – 416 с. 3. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче / Под редакцией Б.Н. Юдаева. М.: Высшая школа, 1968 г. – 372 с. 4. Требования к оформлению учебных текстовых документов: Метод. указания/ Сост. В.Н. Белозерцев, В.В. Бирюк, А.П. Толстоногов/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1988. – 29 с. 5. Белозерцев В.Н., Бирюк В.В., Толстоногов А.П. Методические указания по оформлению пояснительной записки к курсовой работе (проекту)/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1987. – 16 с. 6. Меркулов А.П. Техническая термодинамика: Конспект лекций/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1990. – 235 с. 7. Толстоногов А.П. Техническая термодинамика: Конспект лекций/ Куйбышев. авиац. ин-т. Куйбышев, 1990. – 100 с.
|