3. Тепловой расчет камеры сгорания

Целью данного этапа расчета являются расчет действительной температуры горения в КС и перед 1-й ступенью ГТ (рис. 9).

3.1. Характеристики топливного газа. По заданному составу топлива определяются внутренняя теплота сгорания, молекулярная масса и теплоемкость на входе в КС.

В качестве примера рассмотрим природный газ, имеющий следующий состав [18]:

метан (СН₄) – 98%; этан (С₂Н₆) – 0,45%; пропан (С₃Н₈) – 0,1%; бутан (С₄Н₁₀) – 0,02%; азот (N₂) – 0,63%; кислород (О₂) – 0,78%; диоксид углерода (СО₂) – 0,02%.

Плотность топливного газа ρ_ПГ = 0,7231 кг/м^3..

Температура топливного газа t_ПГ = 16 ⁰С.

Молекулярная масса топливного газа (смеси газов) для данного состава природного газа, кг/кмоль

µ_ПГ = (3.1)

Примечания.

1. Молекулярные массы газов, входящих в с10остав газообразного топлива, см. в табл. П 1.3. приложения 1.

2. Учитывая, что в смеси газов преобладает метан (98%), можно принять µ_ПГ =16,04 (погрешность ).

Низшая теплота сгорания сухой массы топлива (1 м³ при НФУ (нормальных физических условиях) в данном случае, кДж/нм³,

(3.2)

Соотношение между рабочей массой топлива и сухой [1] пересчитывается при помощи множителя

, (3.3)

где W^Р – содержание влаги в составе топлива.

В составе топлива, приведенном выше, влага отсутствует (W^Р = 0), поэтому

.

Примечания.

1. В тепловых расчетах необходимо учитывать, в каких единицах, объемных (кДж/нм³) или массовых (кДж/кг), применяется теплота сгорания топлива. Удобнее в формулах применять в кДж/кг. Это упрощает вид формулы, однако при этом целесообразно проверять размерности величин, входящих в формулу и размерность получаемого результата вычислений.

2. Перевод теплоты сгорания рабочей массы топлива из (кДж/нм³) в (кДж/кг) выполняется по соотношению

.

= R

. (3.4)

Здесь - давление в камере сгорания (принято равным давлению воздуха в камере сгорания), бар; - газовая постоянная природного (топливного) газа, кДж/(кг · К); - плотность природного газа, кг/м³.

Удельная массовая изобарная теплоемкость топливного газа, отнесенная к 1 м³ сухого газа, согласно [1] определяется по формуле, кДж/(кг·К),

, (3.5)

где - удельная массовая изобарная теплоемкость компонентов топливного газа, кДж/(кг · град);

, … - объемное содержание газа в газовой смеси.

Удельную массовую изобарную теплоемкость топливного газа можно оценить по приближенной формуле (расчет по метану)

.

Энтальпия топливного газа, кДж/кг,

. (3.6)

3.2. Продукты сгорания топлива

Определяются продукты сгорания топлива, теоретически необходимый объем воздуха, состав продуктов сгорания при заданном избытке воздуха. Окончательный избыток воздуха перед 1-й ступенью ГТ находится после расчета температуры газов за последней ступенью ГТ. Избыток воздуха в КС принимается в пределах 1,2 ÷ 1,6 с таким условием, чтобы температура ядра факела не превышала 1600 ^оС.

Теоретический объем воздуха V⁰, необходимый для сгорания 1 м³ газа, согласно [1] определяется по формуле, нм³/нм³,

(3.7)

Количество продуктов сгорания:

а) объем сухих трехатомных газов ( ), м³/м³,

), (3.8)

б) объем азота, м³/м³,

, (3.9)

в) объем водяных паров, м³/м³,

(3.10)

где объемная доля горючих газов в топливе, %, - влажность газа согласно нормам расчета [1].

Коэффициент избытка воздуха в камере сгорания [4]

(3.11)

Избыток воздуха в КС, м³/м³,

= ( ) (3/12)

Суммарный объем продуктов полного сгорания, м³/м³,

(3.13)

Примечания:

1. Обычно расчет ведут в объемных долях:

;

;

;

;

2. Состав продуктов сгорания задают или представляют по результатам расчетов в процентах:

3. Размерность (м³/м³) читается как объем продуктов сгорания (м³), получающийся при сжигании 1 м³ топливного (природного) газа.

Избыток воздуха за НТД

. (3.14)

Здесь - коэффициент, учитывающий содержание кислорода в уходящих газах, принят по данным эксплуатации (по показаниям приборов) ГТД – 110.