МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. академика С.П. КОРОЛЕВА

РАСЧЕТ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА

ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Методические указания к курсовой работе

Самара, 2008

СОДЕРЖАНИЕ

1 КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИКЛАХ ГТД 5

2 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ К РАСЧЕТУ 6

3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 7

4 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТОВ 7

4.1 Расчет состава рабочего тела 7

4.2 Расчет оптимального значения степени повышения давления в компрессоре ГТД 7

4.3 Определение коэффициента избытка воздуха 8

4.4 Расчет состава продуктов сгорания и рабочей смеси 8

5 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В УЗЛОВЫХ ТОЧКАХ ЦИКЛА ГТД 10

6 РАСЧЕТ КАЛОРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ЦИКЛА ГТД 10

7 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ТОЧКАХ ПРОЦЕССОВ СЖАТИЯ И РАСШИРЕНИЯ 11

7.1 Расчет для процессов, изображаемых в P-V координатах 11

7.2 Расчет процессов, изображаемых в T-S координатах 11

8 ПОСТРОЕНИЕ ИДЕАЛЬНОГО ЦИКЛА В P-V И T-S КООРДИНАТАХ 13

9 РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГТД 14

10 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОФОРМЛЕНИЮ ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 15

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 16

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 17

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

Cp Cv G Hu h k L,l M M P q R R S T U V  µ µ x

– изобарная теплоемкость, Дж/кг*К – изохорная теплоемкость, Дж/кг*К – массовый секундный расход, кг/с – низшая теплотворная способность топлива, Дж/кг – удельная энтальпия, Дж/кг – показатель адиабаты (изоэнтропы) – работа, Дж, Дж/кг – число Маха – мольная доля компонента смеси, кг/кмоль – давление, Н/м2 – удельное тепло, Дж/кг – тяга, Н – газовая постоянная, Дж/кг*К – энтропия, Дж/кг*К – абсолютная температура, К – удельная внутренняя энергия, Дж/кг – удельный объем, м3/кг - коэффициент избытка воздуха - молекулярная масса, кг/кмоль – масштаб параметра по оси координат, Н/м2*мм, м3/кг*мм, К/мм, Дж/кг*К*мм

Индексы

opt - оптимальный

T - топливо

i – номер компонента, процесса

ц – цикл

Цель курсовой работы: научить студента методике расчета и основам исследования цикла теплового двигателя. В ходе выполнения работы проводится определение параметров состояния рабочего тела в термодинамических процессах идеального цикла газотурбинного двигателя (ГТД), его энергетических показателей, графическое построение цикла. Результаты расчетов характеристик цикла идеального цикла ГТД, представленные в графической форме, позволяют произвести их сравнительный анализ.

1 Краткие сведения о циклах гтд

Циклы ГТД разделяются на две основные группы: с подводом тепла при р = const и при v = const.

Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при р =const показана на рис. 1.1. Компрессор 2, приводимый в движение газовой турбиной 4, подает сжатый воздух в камеру сгорания 3, в которую одновременно насосом впрыскивается топливо. Продукты сгорания, образовавшиеся в камере, расширяются в турбине и выбрасываются в атмосферу.

Рис. 1.1. Принципиальная схема ГТД с подводом тепла при р = const : 1 — топливный насос; 2 — компрессор; 3 — камера сгорания; 4 — газовая турбина

Предполагая, что процессы в цикле обратимы (цикл обратим), гидравлические и тепловые потери отсутствуют, рабочее тело — идеальный газ с постоянной теплоемкостью, термодинамический цикл представляют ,в P-V и T-S координатах (рис.1.2). Здесь 1-2 - адиабатное сжатие воздуха в компрессоре, 2-3 — изобарный подвод тепла q₁- в камере сгорания, 3-4 — адиабатное расширение газа в турбине, 4-1 - изобарный отвод тепла q₂ в окружающую среду.

Параметрами цикла являются:

“ “- степень повышения давления воздуха, _d_k  _,

“” -степень изобарного подогрева рабочего тела,   .

Параметры газа в узловых точках находят по формулам, связывающим параметры газа в соответствующих процессах цикла, а термический КПД — из общего выражения:

[l,2;3,6,7].

Из выражения для термического КПД следует, что при данном рабочем теле он зависит только от _к, а при одинаковом значении q₁ повышение _к приводит к росту ₁ и температуры газов перед рабочими лопатками турбины, которая ограничивается прочностью материала лопаток.

Рисунок 1.3 - Конструктивная схема ВРД с турбокомпрессором: 1 - диффузор; 2 - центробежный компрессор; 3 - камера сгорания; 4 - газовая турбина; 5 - сопло.	Рисунок 1.4 - Зависимость величины оптимальной полезной работы цикла ГТД от

На рис. 1.3 представлена конструктивная схема ГТД с турбокомпрессором. Принцип его работы следующий. Набегающий поток воздуха поступает в диффузор 1, сжимается в нем, затем сжимается в компрессоре 2 и поступает в камеру сгорания 3.

Привод компрессора осуществляется от газовой турбины 4, на вращение которой расходуется часть энергии расширяющихся продуктов сгорания, которые окончательно расширяются в сопле 5 до атмосферного давления и изобарно охлаждаются в атмосфере.

Очевидно, что этот цикл ничем не отличается от ранее рассмотренного: 0-1 — адиабатное сжатие воздуха в диффузоре; 1-2 — адиабатное сжатие воздуха в компрессоре; 2-2 — изобарный подвод тепла, выделяющегося при сгорании топлива; 3-4 — адиабатное расширение рабочего тела (продукты сгорания) в газовой турбине; 4-5 — адиабатное расширение в реактивном сопле. Цикл замыкается изобарой 5-0 при атмосферном давлении.

Расход воздуха на горение топлива, состав и количество продуктов сгорания определяются уравнениями химических реакций окисления элементов горючего. Теоретически необходимое для сгорания топлива количество воздуха определяется массой содержащегося в нем кислорода, обеспечивающего полное сгорание 1 кг топлива при образовании продуктов сгорания.

Отношение действительного количества воздуха G к теоретически необходимому G₀ в процессе горения называется коэффициентом избытка воздуха: .

Коэффициент может быть задан заранее или вычислен, в любом случае,

Полезная работа цикла также является функцией

Из графика рис. 1.4 видно, что при малых степенях повышения давления в диффузоре и компрессоре полезная работа за цикл мала. С ростом _k и скорости полета (числа М) работа за цикл возрастает до некоторого оптимального значения, а затем начинает уменьшаться (из-за ограничений по температуре T₃).