Gasturbine Performance Samenvatting
Week 1
Hoofdstuk 1: voorstuwing
Het principe van voorstuwing is recht voor zijn raap:
1. De lucht die de motor instroomt zal worden versneld naar de achterkant
van de motor
2. Newton‘s tweede wet zal dan in gaan F = m * a, de lucht zal een kracht
naar achteren ervaren
3. Newton’s derde wet actie = - reactie vertelt ons dat de motor een gelijke
kracht voorwaarts zal ervaren of te wel: voortstuwing
Dit principe geld voor zo wel propellermotoren als voor straalmotoren, het
verschil zit het hem er alleen in dat:
Een propeller zorgt voor een kleine versnelling op een grote hoeveelheid
lucht
Een straalmotor zorgt voor een grote versnelling op een kleine
hoeveelheid lucht
Om de voorstuwingskracht te bepalen is het benodigd om eerst de versnelling
van de lucht in de motor te bepalen.
C a (aircraft )=¿ snelheid van het vliegtuig ten opzichte van de ongestoorde
luchtstroom (TAS)
Ci (¿)=¿ snelheid van de lucht bij de inlaat ten opzichte van de motor
C j ( jet )=¿ snelheid van de lucht bij de uitlaat ten opzichte van de motor
Om de voorstuwing te bepalen is het van belang om het snelheid verschil tussen
ingang en uitgang van de motor te weten dus:
F=ḿ∗(C j−C i)
Er zijn twee soorten verliezen in een motor, wat resulteert dat we niet alle
energie uit de brandstof kunnen gebruiken voor voorstuwing van het vliegtuig:
1. Verliezen door wrijving, thermische efficiëntie.
2. Versnelling van de lucht kost ook energie, dit kan worden beschouwd als
een verlies. Hoewel het noodzakelijk voor het versnellen van de lucht is, is
de energie niet langer beschikbaar voor het voortbewegen van het
vliegtuig, voortstuwende efficiëntie.
Om de voortstuwende efficiëntie te bepalen, bepalen we welk percentage van de
energie geproduceerd door de motor wordt gebruikt voor het voortbewegen van
het vliegtuig.
2
η p=
Cj
1+
Ci
,Het doel is: de lucht een lagere versnelling te geven dit leid tot een hoge
brandstof efficiëntie, en de massa flow te vergroten in de motor om sneller te
vliegen met meer voorstuwingskracht.
Hoofdstuk 2: heen en weer bewegende motoren
In het algemeen gesproken gebruiken heen en weer bewegende motoren petrolie
(gasoline) en straalmotoren kerosine. Het basisprincipe van een heen en weer
bewegende motor is het draaien van een schacht. De schacht draagt iets nuttigs,
zoals een propeller. De schacht wordt gedraaid door de heen en weer beweging
van de zuiger. De zuigercompressors lineaire beweging word omgezet naar een
roterende beweging door de krukas.
Figuur 1: de vier fases van de cyclus
De werking van de heen en weer bewegende motor uit figuur 1:
1. De rode klep wordt geopend en een lucht/brandstofmengsel gaat in de
cilinder wanneer de zuiger naar links beweegt
2. De rode klep wordt gesloten, en het mengsel wordt gecomprimeerd door
de beweging van de zuiger aan de rechterkant
3. Bij de bovenkant van de zuiger wordt het mengsel ontstoken. Dit zorgt
voor een grote hoeveelheid energie, wat de druk in de cilinder verhoogt
en resulteert dat de zuiger naar de linkerkant wordt geduwd.
4. De blauwe klep wordt geopend, en het gasmengsel verlaat de cilinder als
de zuiger naar rechts beweegt.
Proces Zuiger Lucht
1 Rode klep naar Naar links ingezogen
beneden door de
schacht
2 Rode klep omhoog Naar rechts samendrukken
door schacht
3 Ontsteking Naar links ‘expands’
door lucht
4 Blauwe klep omhoog Naar rechts Naar buiten
door schacht geduwd
,Heen en weer bewegende motoren heeft meer cilinders, allemaal in
verschillende fases van de cyclus. Er is er altijd maar één die in de engine fase is
waar de zuiger de schacht aandraait (ontsteking). Op dat moment worden alle
andere cilinders aangedreven door de zuiger.
Hoofdstuk 3: fundamentele eigenschappen van een gas: de gas-wet
figuur 2: vormen van stoffen
In het algemeen zwerven atomen niet alleen door het universum maar zijn ze
geclusterd in moleculen. De sterkte tussen moleculen is veel zwakker dan de
sterkte tussen atomen in een molecuul. In de vaste vorm hebben de moleculen
een vaste positie, en vibreren ze alleen op die positie.
Als de moleculen hard genoeg vibreren kunnen ze los komen uit hun vast positie
en ‘dicht bij elkaar komen’ en verandert de fase van vast naar vloeibaar. Als er
zelfs nog harder ‘gevibreerd’ wordt kunnen de moleculen los komen van elkaar
en in een gas fase komen.
Wanneer een gas de volgende eigenschappen heeft kan het beschouwt worden
als een ideaal gas:
De moleculen oefenen geen kracht uit op elkaar
Het volumen van de moleculen is gelijk aan nul
Alle botsingen tussen de moleculen zijn volledig elastisch
Bij lage temperaturen en hoge druk is er te veel interactie tussen de moleculen
van een gas om het te beschouwen als een ideaal gas. In alle andere gevallen
kunnen we aannemen dat het gas ideaal is, daar wordt ook vanuit gegaan in de
rest van de samenvatting.
Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de
moleculen in een stof in rust. Dus: des te meer de moleculen trillen of bewegen,
des te hoger de temperatuur. De SI eenheid van temperatuur is in K.
De dichtheid ook wel de specifieke massa genoemd, wordt gedefinieerd als
massa gedeeld door het volume:
m
ρ=
V
Druk is de kracht per oppervlakte-eenheid:
F
P=
A
Druk is het resultaat uit temperatuur en dichtheid:
, 1. Hoe hoger de temperatuur, de hoger de kinetische energie van de
moleculen, de hoger de snelheid dus de hoger de kracht.
2. Hoe hoger de dichtheid des te meer moleculen per oppervlakte en des te
hoger de kracht.
Boyle’s wet: P1∗V 1=P2∗V 2
V1 V2
Gay-Lussac’s wet: =
T 1 T2
P1∗V 1 P2∗V 2
Combineren van beide wetten geeft: =
T1 T2
Hoofdstuk 4: De eerste wet van thermodynamica
De meest belangrijk hoeveelheid in thermodynamica is energie, met als eenheid
Joule (J). Energie kan worden beschouwd als de mogelijkheid om veranderingen
te veroorzaken.
De eerste wet gaat over het gebruik van een specifieke vorm van energie:
warmte. Het toevoegen van warmte is de overdracht van energie op een bepaalde
manier: van een systeem met een hoge temperatuur tot een systeem met een lage
temperatuur. De snel trillende of bewegende moleculen (van de hetere stof)
geven vibrerende energie aan de trillende of langzaam bewegende moleculen
(van de koudere stof).
In een heen en weer bewegende motor, wordt de chemische energie opgeslagen
in de brandstof omgezet naar warmte door verbranding. Niet alle brandstof
levert dezelfde hoeveelheid warmte op. De warmte van de verbranding ∆ h
van een vaste stof, vloeistof of gas is de hoeveelheid ‘losgelaten’ warmte door de
volledige verbranding van 1kg van die stof.
Fossiel brandstof zoals die in vliegtuigmotoren gebruikt worden bestaan voor
85% uit koolstof en 15% waterstof. De waterstof verbrand en zal H2O vormen.
De eerste thermodynamica wet heeft twee vormen: open systemen en gesloten.
Het verschil is dat in een gesloten systeem er geen massa overdracht plaats vindt
over de grenzen van het systeem, terwijl er bij een opensysteem massa
overdracht bij de grenzen plaats vind. De heen en weer bewegende motor kan
worden gezien als een gesloten systeem. De jet motor is een open systeem.
De eerste wet van de thermodynamica geeft antwoord op de vraag van wat er
gebeuren zal als er een bepaalde hoeveelheid warmte Q op een gas geleverd
word. In een gesloten systeem kan dit op twee manieren:
1. De inwendige energie van het gas verhogen met ∆ U
2. Het gas een hoeveelheid arbeid W uit laten voeren op zijn omgeving (de
zuiger)
Week 1
Hoofdstuk 1: voorstuwing
Het principe van voorstuwing is recht voor zijn raap:
1. De lucht die de motor instroomt zal worden versneld naar de achterkant
van de motor
2. Newton‘s tweede wet zal dan in gaan F = m * a, de lucht zal een kracht
naar achteren ervaren
3. Newton’s derde wet actie = - reactie vertelt ons dat de motor een gelijke
kracht voorwaarts zal ervaren of te wel: voortstuwing
Dit principe geld voor zo wel propellermotoren als voor straalmotoren, het
verschil zit het hem er alleen in dat:
Een propeller zorgt voor een kleine versnelling op een grote hoeveelheid
lucht
Een straalmotor zorgt voor een grote versnelling op een kleine
hoeveelheid lucht
Om de voorstuwingskracht te bepalen is het benodigd om eerst de versnelling
van de lucht in de motor te bepalen.
C a (aircraft )=¿ snelheid van het vliegtuig ten opzichte van de ongestoorde
luchtstroom (TAS)
Ci (¿)=¿ snelheid van de lucht bij de inlaat ten opzichte van de motor
C j ( jet )=¿ snelheid van de lucht bij de uitlaat ten opzichte van de motor
Om de voorstuwing te bepalen is het van belang om het snelheid verschil tussen
ingang en uitgang van de motor te weten dus:
F=ḿ∗(C j−C i)
Er zijn twee soorten verliezen in een motor, wat resulteert dat we niet alle
energie uit de brandstof kunnen gebruiken voor voorstuwing van het vliegtuig:
1. Verliezen door wrijving, thermische efficiëntie.
2. Versnelling van de lucht kost ook energie, dit kan worden beschouwd als
een verlies. Hoewel het noodzakelijk voor het versnellen van de lucht is, is
de energie niet langer beschikbaar voor het voortbewegen van het
vliegtuig, voortstuwende efficiëntie.
Om de voortstuwende efficiëntie te bepalen, bepalen we welk percentage van de
energie geproduceerd door de motor wordt gebruikt voor het voortbewegen van
het vliegtuig.
2
η p=
Cj
1+
Ci
,Het doel is: de lucht een lagere versnelling te geven dit leid tot een hoge
brandstof efficiëntie, en de massa flow te vergroten in de motor om sneller te
vliegen met meer voorstuwingskracht.
Hoofdstuk 2: heen en weer bewegende motoren
In het algemeen gesproken gebruiken heen en weer bewegende motoren petrolie
(gasoline) en straalmotoren kerosine. Het basisprincipe van een heen en weer
bewegende motor is het draaien van een schacht. De schacht draagt iets nuttigs,
zoals een propeller. De schacht wordt gedraaid door de heen en weer beweging
van de zuiger. De zuigercompressors lineaire beweging word omgezet naar een
roterende beweging door de krukas.
Figuur 1: de vier fases van de cyclus
De werking van de heen en weer bewegende motor uit figuur 1:
1. De rode klep wordt geopend en een lucht/brandstofmengsel gaat in de
cilinder wanneer de zuiger naar links beweegt
2. De rode klep wordt gesloten, en het mengsel wordt gecomprimeerd door
de beweging van de zuiger aan de rechterkant
3. Bij de bovenkant van de zuiger wordt het mengsel ontstoken. Dit zorgt
voor een grote hoeveelheid energie, wat de druk in de cilinder verhoogt
en resulteert dat de zuiger naar de linkerkant wordt geduwd.
4. De blauwe klep wordt geopend, en het gasmengsel verlaat de cilinder als
de zuiger naar rechts beweegt.
Proces Zuiger Lucht
1 Rode klep naar Naar links ingezogen
beneden door de
schacht
2 Rode klep omhoog Naar rechts samendrukken
door schacht
3 Ontsteking Naar links ‘expands’
door lucht
4 Blauwe klep omhoog Naar rechts Naar buiten
door schacht geduwd
,Heen en weer bewegende motoren heeft meer cilinders, allemaal in
verschillende fases van de cyclus. Er is er altijd maar één die in de engine fase is
waar de zuiger de schacht aandraait (ontsteking). Op dat moment worden alle
andere cilinders aangedreven door de zuiger.
Hoofdstuk 3: fundamentele eigenschappen van een gas: de gas-wet
figuur 2: vormen van stoffen
In het algemeen zwerven atomen niet alleen door het universum maar zijn ze
geclusterd in moleculen. De sterkte tussen moleculen is veel zwakker dan de
sterkte tussen atomen in een molecuul. In de vaste vorm hebben de moleculen
een vaste positie, en vibreren ze alleen op die positie.
Als de moleculen hard genoeg vibreren kunnen ze los komen uit hun vast positie
en ‘dicht bij elkaar komen’ en verandert de fase van vast naar vloeibaar. Als er
zelfs nog harder ‘gevibreerd’ wordt kunnen de moleculen los komen van elkaar
en in een gas fase komen.
Wanneer een gas de volgende eigenschappen heeft kan het beschouwt worden
als een ideaal gas:
De moleculen oefenen geen kracht uit op elkaar
Het volumen van de moleculen is gelijk aan nul
Alle botsingen tussen de moleculen zijn volledig elastisch
Bij lage temperaturen en hoge druk is er te veel interactie tussen de moleculen
van een gas om het te beschouwen als een ideaal gas. In alle andere gevallen
kunnen we aannemen dat het gas ideaal is, daar wordt ook vanuit gegaan in de
rest van de samenvatting.
Temperatuur is een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de
moleculen in een stof in rust. Dus: des te meer de moleculen trillen of bewegen,
des te hoger de temperatuur. De SI eenheid van temperatuur is in K.
De dichtheid ook wel de specifieke massa genoemd, wordt gedefinieerd als
massa gedeeld door het volume:
m
ρ=
V
Druk is de kracht per oppervlakte-eenheid:
F
P=
A
Druk is het resultaat uit temperatuur en dichtheid:
, 1. Hoe hoger de temperatuur, de hoger de kinetische energie van de
moleculen, de hoger de snelheid dus de hoger de kracht.
2. Hoe hoger de dichtheid des te meer moleculen per oppervlakte en des te
hoger de kracht.
Boyle’s wet: P1∗V 1=P2∗V 2
V1 V2
Gay-Lussac’s wet: =
T 1 T2
P1∗V 1 P2∗V 2
Combineren van beide wetten geeft: =
T1 T2
Hoofdstuk 4: De eerste wet van thermodynamica
De meest belangrijk hoeveelheid in thermodynamica is energie, met als eenheid
Joule (J). Energie kan worden beschouwd als de mogelijkheid om veranderingen
te veroorzaken.
De eerste wet gaat over het gebruik van een specifieke vorm van energie:
warmte. Het toevoegen van warmte is de overdracht van energie op een bepaalde
manier: van een systeem met een hoge temperatuur tot een systeem met een lage
temperatuur. De snel trillende of bewegende moleculen (van de hetere stof)
geven vibrerende energie aan de trillende of langzaam bewegende moleculen
(van de koudere stof).
In een heen en weer bewegende motor, wordt de chemische energie opgeslagen
in de brandstof omgezet naar warmte door verbranding. Niet alle brandstof
levert dezelfde hoeveelheid warmte op. De warmte van de verbranding ∆ h
van een vaste stof, vloeistof of gas is de hoeveelheid ‘losgelaten’ warmte door de
volledige verbranding van 1kg van die stof.
Fossiel brandstof zoals die in vliegtuigmotoren gebruikt worden bestaan voor
85% uit koolstof en 15% waterstof. De waterstof verbrand en zal H2O vormen.
De eerste thermodynamica wet heeft twee vormen: open systemen en gesloten.
Het verschil is dat in een gesloten systeem er geen massa overdracht plaats vindt
over de grenzen van het systeem, terwijl er bij een opensysteem massa
overdracht bij de grenzen plaats vind. De heen en weer bewegende motor kan
worden gezien als een gesloten systeem. De jet motor is een open systeem.
De eerste wet van de thermodynamica geeft antwoord op de vraag van wat er
gebeuren zal als er een bepaalde hoeveelheid warmte Q op een gas geleverd
word. In een gesloten systeem kan dit op twee manieren:
1. De inwendige energie van het gas verhogen met ∆ U
2. Het gas een hoeveelheid arbeid W uit laten voeren op zijn omgeving (de
zuiger)
