Кафедра № 50 «Эксплуатация летательных аппаратов, авиационных двигателей и энергетических установок»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

 

Институт профессионального образования

Кафедра № 50 «Эксплуатация летательных аппаратов, авиационных двигателей и энергетических установок»

 

КОНСПЕКТ

по дисциплине

«Термодинамика и ТАД»

Для студентов специальности «Авиационная техника и технология»

Специализация: 02 «Авиационные двигатели и энергетические установки»

Специализация: 03 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей»

Алматы, 2005

 

Составитель: Ш. Кошанова

Учебное пособие предназначено для студентовспециальности «Авиационная техника и технология». Алматы: Академия гражданской авиации, 2005.65с

Учебное пособие составлены в соответствии с требованиями квалификационной характеристики специалистов и Государственных стандартов. Они направляют студентов на самостоятельную активацию учебного процесса и включают в себя обоснование изучения темы.

 

 

Рецензент: И.Е. Поданев, кандидат технических наук, доцент.

 

Печатается по решению Научно-методического совета Академии (протокол №____от «_____»________________200__г.)

 

Лекция № 1 «Введение»

Термодинамика изучает главным образом свойства физических систем, находящихся в равновесном состоянии. При изменении внешних условий параметры, характеризующие состояние системы, будет изменяться. Последовательность состояний, через которые происходит в этом случае система, называется термодинамическим процессом.

Термодинамика – наука, изучающая закономерности теплового движения и влияние этого движения на свойства физических тел. (Термо- тепло, динамика - сила).

Термодинамика возникла в результате изучения превращения теплоты в работу в паровых машинах и других тепловых двигателях.

Тепловыми двигателями называются машины, в которых тепловая энергия преобразуется в механическую работу или кинетическую энергию газовой струи. К тепловым относятся паровые, реактивные, атомные и другие двигатели.

Подводя тепло к газу, тем самым увеличиваются и запас энергии в нем, в результате чего возрастает давление газа или скорость его движения.

Во всех тепловых двигателях имеют место следующие самостоятельные процесс:

- подвод тепла к рабочему телу – газу;

- преобразование выделенного тепла в механическую работу или кинетическую энергию.

Зависимости от характера осуществления этих процессов различают два вида тепловых двигателей:

- двигатели внешнего сгорания:

- двигатели внутреннего сгорания.

Термодинамика дает теоретические основы двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и газовых, реактивных двигателей и некоторых разделов теплотехники.

Основным задачами термодинамики являются:

- изучение физических свойств газов и их смесей, а также паров жидкостей;

- изучение взаимного преобразования различных видов энергии в процессах, протекающих в газах и парах жидкостей;

- определение наивыгоднейших условий преобразования энергии в механическую работу или кинетическую энергию.

Таким образом, термодинамика изучает законы преобразования тепловой энергии в механическую и изыскивает наивыгоднейшие условия для этого преобразования.

Термодинамические процессы протекают при участии тепла. Для определения количества тепла, участвующего в процессе, необходимо знать теплоемкость газа.

Теплоемкость характеризует способность газа поглощать или отдавать тепло при нагревании или охлаждении.

К процессом, протекающие в тепловых двигателях относятся:

- изохорический при V = const;

- изобарический при P = const;

- изотермический при T = const;

- адиабатический при q = const.

 

Лекция №6 «Основные понятия термодинамики газового потока»

Основные понятия термодинамики газового потока

В ГТД преобразование тепловой энергии, также как и в ПД, осуществляется при помощи пяти основных термодинамических процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск.

Для изучения теория авиационных двигателей недостаточно знать основы термодинамики, где изучаются процессы, проходящие в замкнутом объеме.

Совершенно на другом принципе основана работа АД, где тепло преобразуется в работу не с помощью покоящегося газа, а с помощью движущегося газа. Поэтому для познания процессов, происходящих в элементах АД, необходимо знание газовой динамики изучающей законы движения газов с большими скоростями при больших перепадах давления. Итак, газовая динамика - наука, изучающая движение газа с большими скоростями.

Для изучения основ газовой динамики необходимо знать некоторые свойства движущегося газа, как инертность, вязкость и сжимаемость.

Инертность – способность тела сохранять состояние покоя или прямолинейного равномерного движения. Мерой инертности является масса.

Вязкость – способность жидкостей и газов сопротивляться сдвигу или скольжению одних слоев относительно других. Вязкость – причина возникновения сил трения.

Сжимаемость газа - это его способность изменять величину своего объема, а следовательно и плотности, при изменении давления. Величина сжимаемости газа имеет большое значение, так как она определяет скорость распространения механических возмущений, т.е. уплотнений и разрежений, возникающих в газе. Скорость распространения слабых механических возмущений в сжимаемой среде называют скоростью звука или скоростью звука называют скорость, с которой распространяются слабые изменения давления и плотности в сжимаемой среде. Чем больше скорость звука в данной среде, тем сжимаемость меньше.

Скорость звука в газе определяется по формуле:

.

Отношение скорости газа к местной скорости звука в нем называется числом М.

Основные элементы ГТД и их назначение.

Основные элементы:

- входное устройство служит для подвода воздуха к компрессору с наименьшими потерями его энергии, а также для предварительного сжатия воздуха в полете за счет преобразования скоростного напора встречного потока воздуха в потенциальную энергию давления;

- компрессор служит для сжатия воздуха и подачи его в камеру сгорания. Компрессор приводится в действие за счет механической работы, подводимой от газовой турбины;

- камера сгорания предназначена для подвода тепла к рабочему телу в результате сжигания топлива в смеси с воздухом, поступающим из компрессора, и приготовления рабочего тела - газа (для газовой турбины и реактивного сопла) с определенным запасом энергии;

- газовая турбина предназначена для привода во вращение компрессора и вспомогательных агрегатов, а в ТВД еще и воздушного винта;

- выходное устройство служит для отвода продуктов сгорания из двигателя в безопасное место, а также преобразования теплосодержания газа в кинетическую энергию газового потока;

- сопловые аппараты турбины служат для преобразования теплосодержания газа в кинетическую энергию, т.е. для разгона газового потока перед рабочим колесом турбины;

- рабочее колесо турбины служит для преобразования кинетической энергии газового потока в механическую, которая в виде крутящего момента передается на вал турбины;

- реактивное сопло (сопло - насадок) служит для преобразования части теплосодержания газа в кинетическую энергию, т.е. для дальнейшего разгона газового потока.

Уравнение неразрывности газового потока

Это уравнение устанавливает зависимость между площадью поперечного сечения канала, скоростью движения газа и его плотностью (удельным весом.)

Рис. 72

- секундный расход газа – это количество газа, прошедшего через данное поперечное сечение канала за секунду времени - ;

- площадь поперечного сечения канала ;

- скорость движения газового потока ;

- плотность ;

- объем газа, прошедшего за 1 сек через сечение 1-1;

- объем газа, прошедшего за 1 сек через сечение 2-2.

 

, а ,

или

, а ,

т.е. секундный расход газа в любом сечении потока равен произведению площади поперечного сечения канала на скорость потока газа и его плотность. Но при установившемся движении поток газа неразрывен, т.е. его расход через любое сечение данного канала одинаков: ,

или

- уравнение неразрывности;

или

- при установившемся движении газа произведение площади поперечного сечения канала на скорость движения и плотность газа, является постоянной величиной для всех сечений потока.

Уравнение сохранения энергии движущегося газа.

Уравнением сохранения энергии называется уравнение, полученное в результате применения закона сохранения энергии к потоку газа.

Это уравнение устанавливает связь между скоростью и параметрами состояния движущегося газа и позволять определить скорости в различных элементах двигателя, вычислять работы турбины и компрессора и является основой для теплового расчета отдельных элементов и всего ГТД.

Для электроизолированного потока уравнение сохранения энергии будет иметь вид:

или

- при установившемся движении газа без подвода или отвода извне тепла или механической работы сумма теплосодержания и кинетической энергии сохраняется неизменной.

- уменьшение кинетической энергии ведет к увеличению теплосодержания, т.е. увеличивается температура и давление.

В механических единицах уравнение имеет вид

.

Применение уравнения сохранения энергии для элементов ГТД

 

а) для входного устройства:

или

 

;

 

б) для компрессора:

;

в) для камеры сгорания:

.

Из данного уравнения:

;

г) для газовой турбины:

Из данного уравнения:

:

д) для выходного устройства ТРД:

или

.

 

Уравнение Бернулли.

Уравнение Бернулли широко применяется для анализа рабочих процессов в машинах, которые сжимают воздух путем проталкивания его в направлении повышения давления (компрессоры), и в машинах рабочий процесс, в которых заключается в движении воздуха в сторону пониженных давлений с одновременным совершением внешней работы (турбины).

Уравнение Бернулли для компрессоров имеет вид

,

Уравнение Бернулли для турбины имеет вид

 

,

или

Работа расширения (сжатия) движущегося газа.

Результирующая работ движущегося газа будет представлять собой алгебраическую сумму работы политропического расширения неподвижного газа и работы проталкивания и называется работой политропического расширения (сжатия) движущегося газа - .

,

а так как

то после преобразования получим

,

или

,

т.к. , то

Параметры заторможенного потока.

Параметрами заторможенного потока называются параметры газа после его адиабатического торможения до нулевой скорости. Эти параметры также называют полными параметрами и обозначаются теми же буквами, но со звездочкой вверху: и т.д.

Уравнение Эйлера о количестве движения

Уравнение Эйлера устанавливает связь между внешними силами, действующими на выделенный объем газа и изменением количества движения газа в этом объеме.

Для твердого тела: - «Изменение количества движения тела за некоторое время равно импульсу всех внешних сил, действующих на тел».

Количество движения – это произведение массы на скорость

. (1)

Импульс силы – произведение силы на время ее действия

(2)

Масса . (3)

Подставляя выражения (2) и (3) в (1) окончательно получаем

(4)

Лекция № 13 «Компрессоры»

Компрессор в ГТД служит для повышения давления воздуха перед подачей его в камеру сгорания.

Основные типы и назначение компрессоров. Основные элементы осевого компрессора.

Основными типами компрессоров являются осевые и центробежные. Реже применяются диагональные компрессоры.

Осевой компрессор выполняют либо в виде сплошного барабана с насаженными на него лопатками, либо в виде отдельных дисков, смонтированных на одном валу. Вал осевого компрессора устанавливают обычно на двух подшипниках качения, из которых один является опорно – упорным и служит для восприятия осевых усилий. Осевой компрессоры в зависимости от повышения давления воздуха имеют от до ступеней. Высота лопаток компрессора от ступени к ступени уменьшается.

Центробежные компрессоры применяются с односторонним или двусторонним входом. Использование центробежных компрессоров с двусторонним входом позволяет значительно уменьшить габаритный диаметр компрессора при заданном расходе воздуха или при одинаковом диаметре компрессора увеличить почти вдвое расход воздуха. Расход воздуха через задний вход компрессора, находящийся в зоне расположения камер сгорания, оказывается примерно на меньше, чем через передний вход. Это объясняется увеличением гидравлических сопротивлений вследствие удлинения пути подачи воздуха к заднему входу компрессора и подогревом воздуха от камер сгорания.

Работа сжатия воздуха и КПД компрессора.

Затрачиваемая в компрессоре работа расходуется на сжатие воздуха и на преодоление потерь.

,

где представляет собой полную работу сжатия.

Отношение полного давления на выходе из компрессора к полному давлению на входе в него называется степенью повышения полного давления в компрессоре

Степень совершенства компрессора характеризуется адиабатным КПД – отношением изоэнтропической работы к работе компрессора:

.

КПД учитывает гидравлические потери – на трене воздуха и вихреобразования, потери на перетекание воздуха в зазоре между торцами лопаток и корпусом компрессора.

Ступень осевого компрессора.

Совокупность рабочего колеса с расположенным за ним спрямляющим аппаратом называют ступенью компрессора.

В осевых компрессорах применяются также ступени, в которых воздух, поступающий в рабочее колесо, предварительно закручивается в направляющем аппарате. Предварительная закрутка воздуха может осуществляться в направлении вращения рабочего колеса или против его вращения.

Повышение давления воздуха в ступени характеризуется степенью повышения давления

,

равной отношению полного давления на выходе из ступени к полному давлению на входе в нее; .

Параметры и размеры ступени.

Ступень компрессора прежде всего характеризуется своими геометрическими параметрами (размерами): наружным диаметром и диаметром втулки . Эти основные размеры определяют и средний диаметр колеса, под которым понимают либо среднеарифметический диаметр

либо среднегеометрический, окружность которого делит площадь сечения на равные части.

Среднегеометрический диаметр получается из соотношения

,

откуда

.

Важное значение для оценки лобовых габаритов имеет относительный диаметр втулки , под которым понимают отношение диаметра втулки к диаметру колеса

.

Для того, чтобы при заданном наружном диаметре колеса максимально увеличить полезную площадь для прохождения воздух, необходимо по возможности уменьшать относительный диаметр втулки. Это видно из следующей зависимости:

.

Относительный диаметр втулки первых ступени находится в пределах , а последних ступеней (где плотность воздуха достаточно большая и нет «дефицита» в площадях) .

Секундный расход воздуха равно

Относительная скорость для первых ступеней компрессора применяют , так как от ступени к ступени постепенно уменьшают, а последних ступеней принимают .

В современных компрессорах окружная скорость на наружном диаметре меняется в пределах .

Степень повышения давления . В первых ступенях , а в последних .

КПД ступени . В современных компрессорах КПД ступени меняется в пределах .

Коэффициент расхода ступени .

.

Для первых ступеней , для последних .

Коэффициент затраченного напора ступени .

.

Степень реактивности .

Параметры решетки и профиля.

Основные параметры решетки и профиля.Решетка характеризуется шириной ; шагом ; хордой ; густотой решетки ; относительной толщиной профиля ; удлинением лопаток .

Профиль в решетке характеризуется углом изгиба входной и выходной кромок и ; и входным и выходным углами потока; и – входным и выходным углами профиля; углом изгиба средней линии профиля ; углом атаки ; углом отставания потока на выходе из решетки ; углом установки профиля .

План скоростей ступени.

Для характеристики течения воздуха в элементарной ступени используется план скоростей. Он представляет собой треугольник скоростей воздуха на входе в РК и на выходе из него, совмещенные в одной точке. Осевые составляющие скоростей имеют на плане индексы , а окружные ; и - углы потока на входе, а и - углы потока на выходе из решетки, образованно векторами скоростей с фронтом решетки.

Окружная составляющая абсолютной скорости перед РК называется предварительной закруткой.

Важными характеристиками течения воздуха в решетке являются угол поворота потока (он изменяется в пределах ) и закрутка воздуха в РК, определяемая как разность окружных составляющих скоростей воздуха на входе в РК и на выходе из него , от которой зависит работа, сообщаемая воздуху в ступени.

Работа ступени.

Пренебрегая затратами энергии на трение торцовых поверхностей РК о воздух, очень малыми в осевом компрессоре, можно определить работу ступени (она называется теоретическим напором ступени) как произведение силы на окружную скорость:

.

Величина ограничивается значениями для дозвуковых и для сверхзвуковых ступеней.

Степень реактивности ступени.

Распределение общей работы сжатия воздуха в ступени или общего повышения давления в ней между РК и НА характеризуется степенью реактивности ступени – отношением адиабатной работы сжатия воздуха в РК к теоретическому напору ступени:

.

Типы ступеней.

В компрессорах применяются ступени с

Если , то все повышение давления воздуха осуществляется в РК.

Ступень с применяют в качестве первой дозвуковой ступени, или второй, если первая сверхзвуковая.

Величина характерна для ступени с осевым входом.

Ступени с , в которых все повышение давления происходит в НА, а в РК – только разгон потока, практически не встречаются, так как отличаются большими потерями в НА из – за высоких абсолютных скоростей воздуха.

 

Лекция № 24 «Турбореактивные двигатели (ТРД)»

Турбореактивный двигатель (ТРД), это такой газотурбинный двигатель, у которого турбина служит только для привода компрессора.

Действительный цикл ГТД.

Действительный цикл состоит из реальных необратимых процессов, сопровождающихся потерями.

В действительном цикле рабочим телом являются реальные газы (воздух и продукты сгорания), для которых теплоемкость зависит от температуры.

Все процессы в действительном цикла являются политропными, а не адиабатными процессами. Таковы процессы:

- сжатия воздуха в воздухозаборнике и компрессоре;

- процесс подвода тепла в камере сгорания;

- процессы расширения газа в турбине и сопле.

Работа цикла

Работа цикла может быть выражена через работу, затраченную на сжатие воздуха и расширение газа

Зависимость удельных параметров двигателя от параметров цикла.

В ТРД работа цикла расходуется на увеличение кинетической энергии газового потока (на создание тяги). Чем больше , тем большее ускорение приобретает газ в двигателе, тем больше тяга и удельная тяга.

Расход воздуха зависит от размеров проходных сечений, а удельная тяга – от параметров рабочего процесса.

С ростом удельный расход топлива возрастает.

Изменения объясняется влиянием двух факторов:

- увеличением термического КПД цикла с ростом ;

- уменьшением количества подводимого к рабочему тепла.

С ростом скорости полета должна уменьшаться.

Уменьшение КПД сжатия и расширения приводит к увеличению работы, требуемой для сжатия воздуха до заданного давления и к уменьшению работы расширения. Рост работы сжатия приводит к увеличению температуры воздуха за компрессором и к снижению в связи с этим количества тепла , подводимого к рабочему телу. Уменьшение работы расширения приводит к увеличению температуры в конце процесса расширения и росту количества тепла, отводимого в атмосферу с выхлопными газами . Все это приводит к уменьшению полезной работы цикла, уменьшению и увеличению удельного расхода топлива.

КПД и энергетический баланс ТРД.

Эффективный КПД оценивает ТРД как тепловую машину и учитывает потери тепла с выходящими из двигателя газами, потери тепла в камере сгорания, потери на преодоление гидравлических сопротивлений в двигателе.

,

значение КПД не превышает

Тяговый КПД – отношение тяговой работы к приращению кинетической энергии газового потока

.

КПД показывает, какая часть работы цикла преобразуется в полезную работу передвижения самолета.

Оценка всех потерь в ТРД производится с помощью полного КПД, под которым понимают отношение тяговой работы к теплу, внесенному в двигатель с топливом,

.

Общее распределение тепла в двигателе, называемое энергетическим балансом, дает возможность проследить, как преобразуется располагаемая энергия топлива , приходящаяся на 1 кг рабочего тела, в тяговую работу – работу по передвижению летательного аппарата.

 

Лекция № 27 «Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД)»

Двухконтурные турбореактивные двигатели (ТРДД), в котором передача энергии дополнительному количеству газа осуществляется с помощью специальной турбины, вращающей низконапорный компрессор (вентилятор), установленный в кольцевом канале (наружном контуре), охватывающем внутренний контур.

Схемы ТРДД.

ТРДД различаются расположением компрессора наружного контура, числом валом, устройством выходной системы, наличием и расположением форсажной камеры, наличием редуктора, изменяющего соотношение частот вращения турбины и компрессора.

Параметры ТРДД.

Распределение воздуха по контурам характеризуется степенью двухконтурности .

Рабочий процесс во внутреннем контуре до расширения в турбине протекает так же, как и в ТРД. Но в отличие от ТРД часть энергии этого контура передается наружному контуру, т.е. мощность турбины расходуется на сжатие воздуха во внутреннем контуре (мощность ) и наружном контуре (мощность ).

Оптимальное распределение работы цикла между контурами ТРДД.

Работа внутреннего контура, который можно рассматривать как газогенератор, характеризуется степенью повышения давления в контуре и температурой газа перед турбиной ,

где ,

Работа, передаваемая во внешний контур, характеризуется степенью повышения давления в этом контуре , где .

Влияние параметров рабочего процесса и ступени двухконтурности на удельные параметры ТРДД.

Для анализа влияния параметров процесса (суммарной степени повышения давления воздуха во внутреннем контуре, температуры газа перед турбиной и степени двухконтурности m) на удельные параметры (удельную тягу и удельный расход топлива) ТРДД с раздельными контурами при оптимальном значении воспользуемся формулами для удельной тяги

и удельного расхода топлива

.

С дальнейшим увеличением удельная тяга уменьшается до нуля из – за снижения работы цикла .

С увеличением температуры газа удельная тяга ТРДД резко возрастает, вследствие роста работы цикла .

Уменьшение приводит к росту удельного расхода топлива.

Особенности характеристик ТРДД.

1) Дроссельная характеристика.

Частота вращения изменяется в результате увеличения или уменьшения количества топлива, подаваемого в двигатель РУД.

2) Скоростная характеристика

Рост скорости полета приводит к увеличению степени двухконтурности.

3) Высотная характеристика

С увеличением высоты полета уменьшается давление и плотность атмосферного воздуха, следовательно, снижаются расходы воздуха (газа) через контуры, на быстрее падает расход воздуха через наружный контур, так как там медленней возрастает степень повышения давления вентилятора, следовательно, степень двухконтурности с высотой полета снижается.

Лекция № 30 «Жидкостные реактивные двигатели (ЖРД)»

Жидкостными реактивными двигателями (ЖРД) называются двигатели, работающие на жидком горючем и жидком окислителе.

ЖРД состоит из камеры сгорания и реактивного сопла.

Принцип работы ЖРД

Компоненты топлива могут подаваться из топливных баков в камеру сгорания насосами или сжатым газом, находящимся в специальном баллоне.

Термический цикл ЖРД отличается от других двигателей тем, что рабочее тело здесь пребывает в двух фазах – жидкой и газообразной.

Основные параметры ЖРД:

1) секундный расход топлива (газа) ;

2) удельная тяга ;

3) удельный расход топлива ;

Коэффициент полезного действия ЖРД

1) термический КПД

;

2) эффективный КПД

;

3) тяговый КПД

;

4) полный КПД

Характеристики ЖРД.

Дроссельной характеристикой ЖРД называются зависимости тяги и удельного расхода топлива от давлении в камере сгорания или секундного расхода топлива при постоянной высоте полета и неизменном составе компонентов топлива.

Скоростной характеристикой ЖРД называются зависимости тяги и удельного расхода топлива от скорости полета при неизменных подаче топлива и высоте полета.

Высотной характеристикой ЖРД называются зависимости тяги и удельного расхода топлива от высоты полета при неизменном секундном расходе топлива.

 

Список литературы

1. Русаков С.С., Гай Л.Д. Термодинамика и теплопередача в авиационных двигателях. – Киев, 1975. – 198 с.

2. Нечаев Ю.Н., Федоров Р.М. Теория авиационных двигателей Ч.1. – М.: Машиностроение, 1977. – 312 с.

3. Мадорский Я.Ю., Герасименко А.Я. Теория авиационных двигателей Ч.1. Термодинамика и газовая динамика. М.: Воениздат, 1969. – 252 с.

4. Газодинамический расчет авиационных ГТД /Под редакцией С.С. Русакова/. Киев: КИИГА. 1975. - 115 с.

5. Казанджан П.К., Тихонов Н.Д., Янко А.К. Теория авиационных двигателей. – М.: Машиностроение, 1983. – 223 с.

6. Кулагин И.И. Основы теория авиационных газотурбинных двигателей. – М.: Воениздат, 1967. – 226 с.

7. Ловинский С.И. Теория авиационных двигателей. – М.: Машиностроение, 1982. – 223 с.

8. Востриков С.И., Зуев Л.Н. Теория авиационных двигателей Ч.2. Термодинамика и газовая динамика. М.: Воениздат, 1999. – 278 с.

9. Клячкин А.Л. Основы авиационных реактивных двигателей Теория авиационных двигателей М.: Воениздат, 1956. – 313 с.

10. Базаров И.П. Термодинамика. М.: Высшая школа. 1983. – 344 с.

 

 

Содержание

Лекция №1 Введение ………………………………………………………….…3

Лекция №2 Основные газовые законы …………………………………………4

Лекция №3 Первый закон термодинамики……………………………………...5

Лекция №4 Термодинамические процессы……………………………………..7

Лекция№5 Второй закон термодинамики и термодинамические циклы …….9

Лекция №6 Основные понятия т