2.1.3. Расчет выходного тракта компрессора, параметры потока воздуха на входе в камеру сгорания

Последовательно рассчитываются следующие параметры потока воздуха на выходе из последней ступени компрессора.

83. Скорость на выходе из последней ступени компрессора

,

где угол наклона лопаток выходного направляющего аппарата принят равным 35 градусам.

84. Температура заторможенного потока на выходе из компрессора

, .

теплоемкость воздуха принимается, естественно, при температуре

85. Давление заторможенного потока на выходе из компрессора

, МПа.

86. Статическое давление на входе в камеру сгорания

.

87. Давление потока газов на выходе из камеры сгорания (на входе в конфузорный участок между камерой сгорания и сопловым аппаратом первой ступени газовой турбины)

,

где коэффициент потерь давления в камере сгорания принят равным 4 %. Разумеется данный коэффициент зависит от компоновочной схемы камер сгорания, например, для выносных камер потери могут достигать 10 % и более.

Данный пункт повторяется и в разделе расчета газовой турбины.

2.2. Порядок расчета газовой турбины

Приводится расчет газовой турбины для постоянного значения среднего диаметра лопаточного венца, рис. 3. Расширение газов в меридиональном сечении происходит симметричным увеличением высоты лопаток в периферийном (наружном) и корневом (внутреннем) направлениях: Не учитывается также влияние на параметры потока охлаждающей среды, т.е. рассматривается неохлаждаемая турбина. Расчёт проводится для турбины, имеющей постоянное число оборотов, равное n = 3000 об/мин.

Заданы также КПД входного устройства турбины (конфузорной части камеры, занимающей участок от конца камеры сгорания до соплового аппарата первой ступени) ; КПД выходного устройства (переходного участка на входе в КУ) ; скорости потоков на входе в конфузор = 35 м/с; на входе в сопловой аппарат первой ступени = 85 м/с; на выходе из рабочих лопаток (РК) последней ступени м/с; на выходе из диффузора (на входе в утилизационную камеру, или в камеру дожигания) = 40 м/с. Предусмотрена возможность изменения значений С₃ и С₄ в диалоговом режиме.

Здесь и далее в скобках приведены обозначения физических параметров идентификаторов, принятых в пределах программы. При полном соответствии обозначений с физическими параметрами идентификаторы могут опускаться.

2.2.1. Исходные данные

По запросу выбирается вид топлива (вид топлива определяется заданием целочисленной переменной vidt= при выполнении программы в диалоговом режиме), температура Т₂ в градусах К и давление р₂ в МПа воздуха на выходе из компрессора, температура газов на входе в турбину Т₃ в К, расход газов кг/с.

2.2.2. Последовательность расчета осевой турбины

1. Численным решением соотношения (10), или (13, 16) определяется значение коэффициента избытка воздуха, затем по формулам (11) и (12), либо (14, 15, 17, 18) рассчитываются значения следующих термодинамических свойств рабочего тела газовой турбины: теплоемкости кДж/кг, показателя изоэнтропического расширения k. Использование графических зависимостей нежелательно ввиду больших погрешностей определения параметров.

Последовательно рассчитываются следующие параметры газов и геометрических размеров газовой турбины.

2. Работоспособность газов R кДж/кг град по известному соотношению

, кДж/(кг град).

3. Давление газов на выходе из камеры сгорания

, МПа,

где коэффициент потерь давления (sigmkc) принят по умолчанию равным 0,96. Предусмотрена возможность корректировки его значения в диалоговом режиме по запросу.

4. Плотность газов на выходе из КС:

, кг/м³.

5. Потери давления во входном устройстве (конфузоре) турбины

.

6. Давление потока на входе в сопловой аппарат первой ступени турбины

.

7. Температура потока на входе в СА первой ступени

.

8. Плотность газов на входе в сопловой аппарат (СА) первой ступени

, кг/м³

9. Вывод в печать значений R, р₃₀, r₃₀, Dr₃₀, р₃, Т_3с, r₃

10. Давление на входе в котел утилизатор принято равном 0,105 МПа (р_ку = 0,105)

11. Температура газов на входе в котел утилизатор

, К

12. Плотность газов на входе в КУ

, кг/м³

13. Потери давления на входе в КУ

, Па

14. Давление газов на выходе из турбины

, Па.

15. Перепад давлений в турбине

16. Температура газов на выходе из турбины

, К

17. Плотность газов на выходе из турбины

, кг/м³.

18. Вывод в печать результатов расчета р_ку, Т_ку, _ку, р_ку, р₄, _т, Т₄, ₄.

19. Принимаем коэффициент возврата теплоты в ступени турбины =1,03; адиабатический КПД турбины =0,87.

20. Изоэнтропический (адиабатический) КПД ступени

,

где число ступеней турбины для исключения рекурсивных циклических обращений к процедуре уточнений принято равным z = 4.

21. Коэффициент возврата теплоты в турбине

22. Работа, совершаемая в турбине

, кДж/кг.

23. Вывод в печать результатов вычислений _{т ст}, _{из т}, _{из ст}, _т, Н_т.

24. Принимаем средний теплоперепад (работу) в ступенях турбины =140 кДж/кг. По запросу пользователя программы значение может быть уточнено

25. Число ступеней турбины , полученное значение округляем до ближайшего целого.

26. Выбираем угол выхода скорости потока из СА 1-ой ступени градусам, что соответствует степени реактивности в корневом сечении РК 1-ой ступени = 0,1.

27. Осевая скорость на выходе из СА 1-ой ступени .

28. Принимаем окружную скорость РК турбины на среднем диаметре постоянной для всех ступеней равной U_ср(Ucr) = 340 м/с, коэффициент затенения ометаемой площади = 0,97. Предусмотрена возможность корректировки значения U_ср в ходе выполнения программы расчета.

29. Площадь сечения потока на входе в СА 1-ой ступени

, м².

30. Средний диаметр , м

31. Длина лопаток соплового аппарата во входном сечении первой ступени

,м

32. Площадь сечения потока газов на выходе из РК последней ступени

, м².

При выполнении программы предусмотрена возможность корректировки значений входной и выходной скорости.

33. Длина рабочих лопаток РК на выходе потока газов из последней ступени

, м.

34. Вывод в печать результатов расчета

35. Для удобства геометрических построений последовательно вычисляются: наружный (периферийный) и втулочный диаметр соплового аппарата 1-ой ступени , а также наружный (периферийный) и втулочный диаметр рабочего колеса последней ступени . Разумеется, втулочного диаметра сопловых аппаратов не существует, втулочный диаметр в этом случае соответствует размеру газодинамического канала СА.

36. По результатам расчетов строим эскиз проточной части газовой турбины, рис. 6.

Полный угол расширения потока не должен превышать 25 градусов. В противном случае следует увеличить ширину лопаток и ступеней, необходимо соблюдать также осевые зазоры S₁ и S₂. Рекомендуется выбрать также , однако это условие не является критическим, допускается корректировка их значений при конструктивной проработке. В последнем случае весьма желательным является выполнение поверочного расчета. На этапе предварительного проектирования ширину лопаток оценивают приближенно по аналогии с прототипом. Например, одинаковыми принимают относительную ширину в корневом сечении в области переходной части лопатки к гантели хвостовика. В первом приближении для лопаток РК можно принять равной . Меньшие значения соответствуют последним ступеням турбин (малые значения ); большие – к первым. Напомним, что l представляет длину лопаток.

Рис. 6. Эскиз проточной части газовой турбины

Осевой зазор, несомненно, оказывает влияние на угол раствора газодинамического тракта. Обычно оперируют относительными осевыми зазорами . В целях снижения вибрационных напряжений передний осевой зазор (между венцами ступеней) выбирают в пределах . Большие значения характерны для первых ступеней турбин; задний зазор (между отдельными ступенями) находится в интервале .