- •1. Принцип энергии. Первое начало термодинамики для движущегося газа
- •2. Принцип энтропии. Показать знак изменения энтропии системы при теплообмене
- •3. Термодинамические функции состояния и процесса
- •4. Термодинамическое определение температуры через количество возбужденных и невозбужденных атомов
- •5. Формула Больцмана для энтропии системы. Определить энтропию системы, состоящую из 1000 атомов, 2 из которых находятся в возбужденном состоянии
- •6. Требования к температурному состоянию системы «газотурбинный двигатель»
- •7. Источники тепла в двигателе. Максимально и минимально возможные уровни температур
- •9. Диаграмма теплового баланса при сгорании (окислении) топлива. Высшая и низшая теплотворные способности топлива
- •10. Классификация нефти по групповому составу
- •11. Физические механизмы переноса тепла
- •12. Понятие пограничного слоя. Критерий принадлежности пограничному слою. Толщина пограничного слоя
- •13. Толщина вытеснения, потери импульса и энергии
- •14. Вывод уравнения Кармана и его анализ
- •16. Уравнение движения газа для турбулентного течения
- •19. Понятие коэффициента теплоотдачи и его связь с коэффициентом теплопроводности. Смысл введения коэффициента теплоотдачи
- •20. Связь коэффициента теплоотдачи с числом Рейнольдса
- •22. Факторы, влияющие на процессы теплоотдачи при обтекании лопаток турбины в реальных условиях
- •23. Турбулентность и ее измерение. Спектр турбулентности. Волновое число
- •24. Понятие эффективной турбулентности. Энергетический и диссипативный диапазоны волновых чисел
- •25. Эффективность конвективного охлаждения. Анализ его выражения. Критерий оптимальности эффективного охлаждения
- •26. Пленочное охлаждение. Эффективность пленочного охлаждения. Основной фактор влияния на эффективность
- •27. Зависимость Кутателадзе-Леонтьева
- •28. Соотношения Кришнамурти и Абу-Ганэма влияния турбулентности на коэффициент теплоотдачи
- •30. Механизм влияния нестационарности на эффективность пленочного охлаждения
- •31. Трехмерные эффекты в граничных условиях на поверхности лопаток турбин
- •32. Изменение коэффициента теплоотдачи во внутреннем петлевом канале охлаждающего воздуха (со стороны спинки и корыта) при вращении и его отсутствии. Число Россби
- •33. Параметр оребрения. Влияние оребрения на эффективность охлаждения
- •34. Смысл лобового натекания. Критериальное выражение для коэффициента теплоотдачи при лобовом натекании
- •35. Понятие термоциклического нагружения. Фазовые траектории термического нагружения лопаток и дисков
7. Источники тепла в двигателе. Максимально и минимально возможные уровни температур
Основными источниками тепла в газотурбинном двигателе являются:
тепловой эффект реакций окисления (горения) топлива кислородом воздуха,
фазовое превращение воды при движении окружающего воздуха по тракту двигателя и изменении его температуры (конденсация паров) или впрыске воды (испарение) в газовый тракт,
превращение механической (кинетической) энергии в тепло при взаимодействии движущегося рабочего тела с неподвижными поверхностями, в результате чего возникает градиент скорости у обтекаемой поверхности и, соответственно, пропорционально ему напряжение, сила и мощность трения, которая необратимо переходит в тепло (лопаточные машины, подшипниковые обоймы и т.д.), т.е. в хаотическое движение частиц.
Все эти источники тепла взаимодействуют друг с другом через конструкцию двигателя посредством тепловых потоков, формируя сложную картину распределения температур (и термоупругих напряжений) в деталях двигателя.
Связь между количеством топлива и параметрами в начале и в конце процесса подвода тепла в камере сгорания устанавливается в соответствии с законом Гесса:
8. Закон Гесса(Связь между количеством топлива и параметрами в начале и в конце процесса подвода тепла в камере сгорания)
Тепловой эффект реакции является функцией состояния системы, т.е. зависит только от ее начального и конечного состояний и не зависит от промежуточных стадий (т.е. пути перехода от начального к конечному состоянию).
Поскольку в процессе окисления горючего и, соответственно, выделения тепла происходит изменение молекулярного состава рабочего тела (т.е. к двум независимым переменным Р и Т прибавляется третья - молекулярный состав), то для определения количества топлива, необходимого для нагрева рабочего тела от температуры Т2* до Т3* с помощью одного уравнения сохранения энергии необходимо две переменных зафиксировать (р= сопst Т= сопst ), т.е. рассматривать изобарно-изотермический процесс изменения молекулярного состава. В этом случае первый закон термодинамики dQ = du + pd может быть выражен в виде dQ = du + pd + dp ( т.к. dp = 0 ) и, учитывая, что i = du + d (p), получим dQ = di (т.е. закон Гесса, т.к. энтальпия i есть функция состояния системы).
9. Диаграмма теплового баланса при сгорании (окислении) топлива. Высшая и низшая теплотворные способности топлива
Тогда, зная теплоту образования (Qp) исходного продукта ( например, углеводородное топливо типа метана СН4 или составную часть керосина - циклогексан С6 Н12 и т.п. ) и теплоту образования продуктов сгорания
( СО2, Н2 О, NО2) и их массовые доли, можно определить количество топлива, необходимое для нагрева рабочего тела до заданной температуры ( Т3 ). Уравнение баланса энергии для этого процесса имеет вид
Соответственно, изображение этого процесса в координатах i - Т
Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, выделившееся в результате полного окисления одного килограмма топлива. Очевидно, что теплотворная способность - это разность теплот образования продуктов сгорания при стехиометрическом составе тепловоздушной смеси и исходного топлива. Однако необходимо отметить, что при определении теплового эффекта реакции продукты сгорания принято охлаждать до +25 С. В процессе охлаждения при T = +100 С происходит фазовый переход водяного пара в жидкое состояние с выделением тепла. В результате мы имеем т. н. высшую теплотворную способность топлива. Однако при температурах горения Т 1400 смеси это добавочное количество тепла не может быть реализовано, так как в процессе перехода от +25 С до Тпс оно поглощается в фазовом переходе воды из жидкого в паровое состояние. В результате вводится понятие низшей теплотворной способности (Нu) топлива, отличающейся от высшей на величину скрытой теплоты парообразования воды. Для авиационного керосина эта величина (Нu) составляет 43 000 кдж/кг; для водорода - Нu = 120 000 кдж/кг.