Question 11.22: A turbo-jet engine travels at 216 m/s in air at 0.78 bar and...

A turbo-jet engine travels at 216 m/s in air at 0.78 bar and – 7.2°C. Air first enters diffuser in which it is brought to rest relative to the unit and it is then compressed in a compressor through a pressure ratio of 5.8 and fed to a turbine at 1110°C. The gases expand through the turbine and then through the nozzle to atmospheric pressure (i.e., 0.78 bar). The efficiencies of diffuser, nozzle and compressor are each 90%. The efficiency of turbine is 80%. Pressure drop in the combustion chamber is 0.168 bar. Determine :
(i) Air-fuel ratio ;
(ii) Specific thrust of the unit ;
(iii) Total thrust, if the inlet cross-section of diffuser is 0.12 m².
Assume calorific value of fuel as 44150 kJ/kg of fuel.

The blue check mark means that this solution has been answered and checked by an expert. This guarantees that the final answer is accurate.
Learn more on how we answer questions.

Refer Fig. 41.
Speed of the aircraft,                      C_{a} = 216 m/s
Intake air temperature,                T_{1} = – 7.2 + 273 = 265.8 K
Intake air pressure,                        p_{1} = 0.78 bar
Pressure ratio in the compressor, r_{p} = 5.8
Temperature of gases entering the gas turbine, T_{4} = 1110 + 273 = 1383 K
Pressure drop in combustion chamber = 0.168 bar
η_{d}   =    η_{n}  ;   η_{c}  = 90% ;   η_{t}  = 80%.
Calorific value of fuel,        C.V. = 44150 kJ/kg of coal
(i) Air-fuel ratio :

For ideal diffuser (i.e., process 1-2) the energy equation is given by :

h_{2}   =  h_{1}   +    \frac{C_{a} ²}{2}      or        h_{2}   –   h_{1}    =  \frac{C_{a} ²}{2}      or        T_{2}   –    T_{1}   =\frac{C_{a} ²}{2  c_{p}} 

or                                                     T_{2}   =      T_{1}   +    \frac{C_{a} ²}{2  c_{p}}    =   265.8   +    \frac{216²}{2    ×    1.005    ×    1000}   = 289 K

For actual diffuser (i.e., process 1-2′),

η_{d}   =   ( \frac{h_{2}   –   h_{1}}{h_{2}  ^{′}   –   h_{1}})               or                h_{2}  ^{′}    –   h_{1}  =    \frac{h_{2}   –   h_{1}}{η_{d}} 

or                                              h_{2}  ^{′}   =   h_{1}  +  \frac{h_{2}   –   h_{1}}{η_{d}} =   h_{1}  +    \frac{C_{a} ²}{2  η_{d}}

or                                                     T_{2}  ^{′}     =   T_{1}   +    \frac{C_{a} ²}{2  c_{p}  η_{d}}    =   265.8   +    \frac{216²}{2    ×    1.005    ×    1000   ×    0.9}   = 291.6 K

Now,                                                \frac{ T_{2} }{ T_{1} }  =    (\frac{p_{2}}{p_{1}})^{\frac{γ   –    1}{γ }}               or                      \frac{289 }{ 265.8 }    =  (\frac{p_{2}}{0.78})^{\frac{1.4   –    1}{1.4}}               or               (1.087)^{3.5}   =    (\frac{p_{2}}{0.78})

or                                                        p_{2}    =    0.78    ×    (1.087)^{3.5}  = 1.044 bar

Again,                                                            \frac{ T_{3} }{ T_{2}  ^{′}  }  =   (r_{p})^{\frac{γ   –    1}{γ }}    =   (5.8)^{\frac{1.4   –    1}{1.4}}    =     1.652        or        T_{3}  = 291.6 × 1.652 = 481.7 K

Also,                                          η_{c}   =  \frac{ T_{3}   –  T_{2}  ^{′}  }{ T_{3}  ^{′}    –  T_{2}  ^{′}  }     or          T_{3}  ^{′}   =    T_{2}  ^{′}   +    \frac{ T_{3}   –  T_{2}  ^{′}  }{ η_{c}}   =   291.6   +    \frac{481.7     –    291.6 }{0.9}    =   502.8  K

Assume                                      c_{pg}   =    c_{pa}   =    c_{p}
Heat supplied                             =   (m_{a}   +    m_{f})     c_{p}   T_{4}    –    m_{a}    c_{p}    T_{3}  ^{′}    =     m_{f}   ×    C
or                                                   m_{a}   c_{p}    T_{4}    +     m_{f}     c_{p}    T_{4}     –     m_{a}     c_{p}     T_{3}  ^{′}      =     m_{f}   ×    C
or                                                  m_{a}    c_{p}    (T_{4}    –    T_{3}  ^{′} )    =     m_{f}    (C    –    c_{p}    T_{4})

or                                                        \frac{m_{a}}{m_{f}}   =  \frac{C    –    c_{p}    T_{4}}{ c_{p}    (T_{4}    –    T_{3}  ^{′} )}   =  \frac{44150  –    1.005    ×    1383}{1.005  (1383  –    502.8)}   =  48.34

∴                      Air-fuel ratio                    = 48.34.
(ii) Specific thrust of the unit :
p_{4}    =     p_{3}   – 0.168 = 5.8 × 1.044 – 0.168 = 5.88 bar
Assume that the turbine drives compressor only (and not accessories also as is the usual case)
∴                                          c_{p}    (T_{3}  ^{′}     –    T_{2}  ^{′} )    =    c_{p}    (T_{4}    –    T_{5}  ^{′} )
or                                        T_{3}  ^{′}    –    T_{2}  ^{′}     =    T_{4}    –    T_{5}  ^{′}           or        T_{5}  ^{′}     =    T_{4}   –     (T_{3} ^{′}    –     T_{2}  ^{′} )
= 1383 – (502.8 – 291.6) = 1171.8 K

Also,                                         η_{t}   =  \frac{ T_{4}   –  T_{5}  ^{′}  }{ T_{4}   –  T_{5} } 

or                                                              T_{5}  =    T_{4}   –      \frac{T_{4}   –  T_{5}  ^{′} }{η_{t}}  =   1383   –    \frac{1383   –    1171.8}{0.8}   = 1119 K

Now,                                                        \frac{ T_{4} }{ T_{5}}  =   ( \frac{ p_{4}}{p_{5}})^{\frac{γ   –    1}{γ }}  =   ( \frac{ 5.88}{p_{5}})^{\frac{1.4   –    1}{1.4}}

or                                                                    ( \frac{1383 }{1119})^{3.5}  =  \frac{ 5.88}{p_{5}}    or      p_{5}   = 2.8 bar

Again,                                                    \frac{ T_{5}  ^{′}  }{ T_{6}}  =   ( \frac{ p_{5}}{p_{6}})^{\frac{γ   –    1}{γ }}   =   (\frac{2.8 }{0.78})^{\frac{1.4   –    1}{1.4}}   =  1.44

or                                                     T_{6}  =  \frac{ T_{5}  ^{′} }{1.44}  =  \frac{1171.8 }{1.44}  = 813.75 K

and                                      η_{n}   =  \frac{T_{5}  ^{′}   –  T_{6}  ^{′}  }{ T_{5}  ^{′}   –  T_{6}}     or        T_{6}  ^{′}  =    T_{5}  ^{′}    –    η_{n}    (T_{5}  ^{′}   –  T_{6})

= 1171.8 – 0.9 (1171.8 – 813.75) = 849.5 K
Velocity at the exit of the nozzle,

C_{j}  =   44.72    \sqrt{h_{5}  ^{′}      –      h_{6}  ^{′} }   =   44.72    \sqrt{c_{p}   (T_{5}  ^{′}   –  T_{6}  ^{′} )}

  =   44.72    \sqrt{1.005   (1171.8   –    849.5)}   =  804.8 m/s

Specific thrust = (1 +  m_{f})   ×   C_{j}   =   (1   +    \frac{1}{48.34}  )   ×   804.8

= 821.45 N/kg of air/s.

(iii) Total Thrust :
Volume of flowing air,    V_{1}      = 0.12 × 216 = 92 m³/s

Mass flow,                                m_{a}  =  \frac{p_{1}     V_{1}}{R   T_{1}}   =  \frac{0.78     ×     10^{5}   ×   25.92}{(0.287     ×   1000)   ×   265.8}    = 26.5 kg/s

∴           Total thrust                  = 26.5 × 821.45 = 21768.4 N.

1122

Related Answered Questions