Розрахунок ідеального циклу газотурбінного двигуна

Розрахунково-пояснювальна записка до курсової роботи

«Розрахунок ідеального циклу ВМД»

Самара 2010

Завдання

Розрахувати ідеальний цикл ВМД тягою R при польоті з числом М за час τ (час) по заданій висоті Н при температурі Т ₃ газу перед турбіною. Вихідні дані наведено в табл. 1, 2, 3, 4, 5. Маса повітря G = 1 кг. Паливо - гас Т-2 з початковою температурою _T T = 300 K.

Таблиця 1 - Вихідні дані

Таблиця 2 - Дані МСА

Таблиця 3 - Склад палива

Таблиця 4 - Об'ємний склад повітряної суміші

Таблиця 5 - Молярна маса компонентів повітряної суміші

Реферат

Визначено такі параметри, що характеризують повітря в точці 0 циклу ВМД: молекулярні маси, кількість речовини, молярний і масові частки, питомі газові постійні, ізобарних і ізохорний теплоємності компонентів повітря, що надходить в дифузор, показник адіабати.

Розраховано оптимальне значення ступеня стиснення повітря в компресорі, що забезпечує максимально корисну роботу циклу для заданого значення температури Т _3.

Обчислений коефіцієнт надлишку повітря a в камері згоряння.

Знайдені значення мас, кількості речовини, мольних і масових часток компонентів робочого тіла, як суміші продуктів згорання і надлишкового повітря. Розраховано кількість палива, що згоряє в 1 кг повітря. Визначено більшість робочої суміші, питома ізобарна і ізохоричному теплоємності, газова постійна і показник адіабати, що характеризують суміш при температурі Т _3. Результати розрахунків зведені в таблиці.

Розраховані параметри стану в характерних і кількох проміжних точках ідеалізованого циклу ВМД, визначені зміни внутрішньої енергії, ентальпії, ентропії, теплоти, питомі роботи процесів і за цикл. Зображено ідеальний цикл в p-v і TS-координатах. Визначено похибки розрахованих і . Розраховано енергетичні характеристики ВМД.

Введення

Авіаційний газотурбінний двигун є складною технічною системою з високими питомими параметрами. Конструкція доводилася до досконалості на основі великого обсягу експериментальних досліджень, накопиченої статистики. Технічні досягнення у сфері конструкцій, матеріалів, технології, різних методів підвищення навантажувальної здатності, втомної міцності знайшли в сучасному двигуні саме безпосереднє втілення. У світовій практиці розроблені і освоєні у виробництві двигуни нових поколінь, де в конструкцію привнесені якісні зміни, які призвели до суттєвого підвищення питомих експлуатаційних параметрів. Продовжують перебувати в експлуатації і випускатися, перевірені часом і доведені на основі аналізу результатів практичного використання до високого рівня досконалості ряд моделей ВМД сформували великий обсяг практичної інформації.

Цикли ВМД поділяються на дві основні групи: з підведенням тепла при p = const і з підведенням тепла при v = const.

1. Опис роботи двигуна

Принципова схема ВМД зі згорянням палива при p = const показана на малюнку 1. Принцип його роботи наступний: при польоті літака набігаючий потік повітря надходить в дифузор і там стискається. Потім потрапляє в компресор 2, де знову піддається стисненню. Далі стиснене повітря надходить у камеру згоряння 3, де відбувається згоряння паливно-повітряної суміші і, отже, здійснюється підведення тепла. Привід компресора здійснюється від газової турбіни 4. Пройшовши через газову турбіну, продукти згоряння розширюються в реактивному соплі до атмосферного тиску, і, після закінчення, ізобарно охолоджуються в атмосфері. Оскільки адіабатно стискається в компресорі повітря і утворилися продукти згоряння, що розширюються на лопатках турбіни і в соплових апаратів, мають різний склад, параметри стану робочого тіла в різних точках термодинамічного циклу повинні розраховуватися з урахуванням цієї особливості. Витрата повітря на горіння і кількість продуктів згоряння визначаються рівняннями хімічних реакцій окислення елементів пального з урахуванням вмісту їх у паливі.

Рисунок 1 - Принципова схема ВМД з підведенням тепла при
p = const: 1 - паливний насос, 2 - компресор; 3 - камера згоряння; 4 - газова турбіна

2. Розрахунок складу робочого тіла

2.1 Попередній розрахунок складу повітря

Розрахунок кількості речовини, масових та мольних часток компонентів і теплоємностей проводиться для повітря, споживаного двигуном літака на висоті польоту Н = 10000 м.

Розрахуємо масові частки за формулою:

Позначимо як - Молекулярна маса суміші:

Тоді:

Розрахуємо кількість речовини:

Знайдемо питому газову постійну для кожного компонента за формулою:

(3),

де R = 8,314

Питомі ізобарних теплоємності компонентів:

Питомі ізохорний теплоємності компонентів знайдемо за формулою:

(4)

Для газової суміші визначимо питому ізобарно теплоємність:

І питому ізохоричному теплоємність:

Показник адіабати:

Питому газову постійну:

2.2 Визначення оптимального ступеня стиснення в компресорі ВМД

Для заданого числа М польоту оптимальне значення можна отримати аналітично з умови, що при його значенні корисна робота циклу ВМД найбільша. Рішення зводиться до відшукання максимуму функції .

Цей максимум в ідеальному циклі досягається при значенні

(5).

Підставивши вихідні і розраховані в розділі 1.1 значення у формулу (5), отримаємо:

2.3 Визначення коефіцієнта надлишку повітря

Засноване на забезпеченні заданої температури перед турбіною.

Для розрахунку приймемо співвідношення для даного виду палива :

Для палива гас Т-2 з хімічною формулою :

Коефіцієнт надлишку повітря визначається за формулою:

(6), де:

Тоді:

2.4 Розрахунок складу продуктів згоряння і робочої суміші

Маси продуктів згоряння:

Кількості речовини продуктів згоряння:

Молярний частки компонентів:

(7)

Масові частки компонентів:

(8)

Кількість палива, що згоряє в 1 кг повітря:

Маса робочої суміші:

Питомі теплоємності робочої суміші:

Газова постійна:

Показник адіабати:

Результати розрахунків зведемо в таблиці 6 і 7.

Таблиця 6 - Склад робочого тіла циклу ВМД

Таблиця 7 - Характеристики робочого тіла в циклі ВМД

3. Розрахунок основних параметрів стану робочого тіла в вузлових точках циклу ВМД

Перш ніж перейти до розрахунку основних термодинамічних параметрів стану робочого тіла в вузлових точках циклу ВМД, розрахуємо щільність повітря, що надходить в дифузор, при відомих p _0, R і Т _0:

Точка 1. Процес 0-1 - адіабатно стиснення повітря в дифузорі:

Крапка 2. Процес 1-2 - адіабатно стиснення повітря в компресорі:

Точка 3. Процес 2-3 - ізобарний підведення тепла в камері згоряння:

, - Ступінь підвищення температури

Точка 4. Процес 3-4 - адіабатно розширення продуктів згоряння в турбіні:

Точка 5. Процес 4-5 - адіабатно розширення в реактивному соплі ВМД до тиску навколишнього середовища :

4. Розрахунок калоріческіх величин циклу ВМД

4.1 Визначення змін калоріческіх величин в процесах циклу

Внутрішня енергія в процесі:

(9)

Ентальпія:

(10)

Ентропія для ізобарного процесу обчислюється за формулою:

(11)

4.2 Розрахунок теплоти процесів і тепла за цикл

Подводимую і відведену питомі теплоти в Ізобаричний процесі розрахуємо за формулою:

(12)

Таким чином, .

Обчислимо : .

4.3 Розрахунок роботи процесу і роботи за цикл

- Робота стиснення газу в дифузорі

- Робота стиснення газу в компресорі

- Робота газу в турбіні

- Робота реактивного сопла

Розрахуємо :

Результати розрахунків представлені в таблиці 8.

Таблиця 8 - Основні параметри стану робочого тіла в вузлових точках циклу, зміна калоріческіх параметрів у процесах і за весь цикл ідеального ВМД