Vysoké Učení Technické V Brně
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INZENYRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING ZLEPSOVANI BRAYTONOVA OBEHU LETECKYCH PLYNOVYCH TURBIN Improving of Brayton Cycle For Aero Gas Engine BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS AUTOR PRÁCE RODRIGO ACEVEDO AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE ING. MIROSLAV ŠPLÍCHAL SUPERVISOR BRNO 2012 1 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav automobilního a dopravního inženýrství Akademický rok: 2011/2012 ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Rodrigo Acevedo který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Stavba strojů a zařízení (2302R016) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Zlepšování Braytonova oběhu leteckých plynových turbín v anglickém jazyce: Improving of Brayton cycle for aero gas turbine Stručná charakteristika problematiky úkolu: Popsat ideální a skutečný oběh leteckých plynových turbín. Rozbor vlivu zařazení mezistupňového chlazení a regenerace. Popis realizace zlepšení parametrů oběhu u leteckých turbín. Cíle bakalářské práce: Rešerše parametrů oběhu aktuálně používaných leteckých plynových turbín. Rozbor termické účinnosti oběhu leteckých plynových turbín a návrh možných zlepšení. 2 Seznam odborné literatury: OTT, Adolf. Pohon letadel. první. Brno : Nakladatelství Vysokého učení technického v Brně, 1993. 168 s. ISBN 80-214-0522-8. ADAMEC, Josef; KOCÁB, Jindřich. Letadlové motory. Vyd. 2. Praha : Corona, 2008. ISBN 978-808-6116-549 WARD, Thomas A.; Aerospace propulsion systems, Sinagaporse : John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0-470-82497-9 Vedoucí bakalářské práce: Ing. Miroslav Šplíchal Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne 10.11.2011 L.S. prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Ředitel ústavu Děkan fakulty 3 ABSTRAKT Tato Prace je vyzkum o Braytonuv Obeh. Obsahuju ruzne metody, jak zvisit ucinnost obeh. Take vysvetluje jednu z techto metod presneji a popisuje ruzne moznosti, jako je IRA (Mezichladicem Recuperancni Aeroengine), coz je project z Technicke University v Mnichove. Vyvetluje ruzne studie o tepelnych vymeniku a jak tyto zmeny by mohly prispet ke slepseni spotreby paliva. KLÍČOVÁ SLOVA Aero motor, turbina, kompresor, spalovaci komora, mezi chladic, ohrivani, regenerace, brayton, ucinnost, dvouproudovy, vymenik, teplo. ABSTRACT This thesis is a research about Brayton cycle. It contains different methods on how to improve the efficiency of the cycle. Also it explains one of these methods more precisely and describes different options such as IRA (Intercooled Recuperative Aeroengine) which is a project from Munich Technical University. Besides it explains different studies about heat exchangers and how these modifications could help to improve fuel economy. KEYWORDS Aero engine, tubine, compressor, combustion chamber, intercooling, reheating, regeneration, brayton, cycle, efficiency, turbofan, exchanger, heat. BIBLIOGRAFICKÁ CITACE Acevedo, R. Improving of Brayton Cycle for Aero Gas Turbine. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. XX s. Vedoucí diplomové práce Ing. Miroslav Šplíchal. 5 ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že tato práce je mým původním dílem, zpracoval jsem ji samostatně pod vedením Ing. Miroslava Šplíchala a s použitím literatury uvedené v seznamu. V Brně dne 25. května 2012 …….……..………………………………………….. Jméno a přímení 6 PODĚKOVÁNÍ I would like to thank the tutor of my thesis, for his recomendations and his orientation. Also I would like to thank Ing. Skopan for his patience. I would like to thank Dean Ing. Doupovec for believeing in me. And i would to thank my family for waiting so long, my grandfather Fernando, grandmother Gertrudis, mother Mercedes and my two brothers Jesus and Eduardo and everyone else who helped in one way or another. 7 CONTENT Content ................................................................................................................. -8- 1. Introduction.................................................................................................-10- 2. History .......................................................................................................-11- 3. How it works?.............................................................................................-17- 4. Brayton Cycle.............................................................................................-18- 4.1 First Law of Thermodynamics..............................................................-18- 4.2 Second Law of Thermodynamics..........................................................-18- 4.3 Processes of the Brayton Cycle.............................................................-19- 4.4 Mathematical Explanation ....................................................................-20- 5. Improvement of the Brayton Cycle Efficiency............................................-21- 5.1 Increasing the turbine inlet temperatures...............................................-21- 5.2 Increasing the efficiencies of Components.............................................-21- 5.2.1 The Inlet......................................................................................-21- 5.2.2 The Compressor..........................................................................-22- 5.2.2.1 The Centrifugal Compressor.................................................-22- 5.2.2.2 The Axial Compressor..........................................................-22- 5.2.3 The Combustion Chamber (Combustor) ...................................-23- 5.2.3.1 The Combustor Components................................................-23- 5.2.3.2 Types of Combustors............................................................-25- 5.2.3.3 Geared Turbofan...................................................................-26- 5.2.4 The Turbine.................................................................................-26- 5.2.5 The Nozzle..................................................................................-26- 5.3 Adding Modifications to the Basic Cycle...............................................-27- 5.3.1 The Brayton Cycle with Regeneration........................................-27- 5.3.2 The Brayton Cycle with Intercooling, Reheating and Regeneration................................................................................-29- 5.3.2.1 Thermodynamic Analysis and Parametric Study of an Irreversible Regenerative-Intercooled-Reheat Brayton Cycle..................-32- 5.3.3 IRA (Intercooled Recuperative Aero-Engine) ............................-34- 5.3.3.1 IRA Engine Study at MTU .............................................-34- 5.3.3.2 Fundamentals-Cycle Innovations...................................-35- 5.3.3.3 Recuperated Cycle............................................................-35- 5.3.3.4 Intercooled and Regenerated Cycle.................................-35- 5.3.3.5 Variable Geometry............................................................-36- 5.3.3.6 The IRA-Engine Configuration........................................-36- 5.3.3.7 Mechanical Design...........................................................-37- 5.3.3.8 The MTU profile-tube heat exchanger..............................-38- 5.3.3.9 Thermomechanical Design of a Heat Exchanger for a Recuperative Aero Engine..................................................-39- 5.3.3.10 Investigation of the Thermal Efficiency of a Staggered Elliptic-tube Heat Exchanger for Aeroengine Applications.........................-40- 5.3.3.11 Optimization of the Design of Recuperative Heat Exchangers in the Exhaust Nozzle of an Aero Engine.....-41- 6 Calculations.................................................................................-44- 8 6.1 Example 1- Ideal Cycle..............................................................-44- 6.2 Example 2- Real Cycle with Friction........................................-46- 7 Conclusion....................................................................................-47- 8 List of References and Resources..................................................-48- 9 Attachments....................................................................................-52- 9 1 INTRODUCTION This is a research work on the topic ¨Improving of Brayton Cycle for Aero Gas Turbine¨, it is thesis for finishing a bachelor´s degree on Mechanical Engineering at Brno University of Technology. The goal of this work is to show different ways of how to improve the cycle efficiency and thus make an aero engine with better fuel economy. Also there are some investigation works in different areas those are shown in this paper. First there is history of the aero gas engine, it shows how the development of the engine has been changing through the time, then how it works. After there is an explanation of the first and second law of thermodynamics in order to understand the next part which is the Brayton Cycle. Then it comes the three most commom ways of how to improve the brayton cycle efficiency, this part mention a research project made by MTU(Motors and Turbines Union), called IRA(Intercooled Recuperative AeroEngine), then there are two examples of general calculations of the cycle, the ideal one and the real one with friction. In the conclusion it is mentioned the work with these three main methods