Министерство образования и науки Российской Федерации

ДВФУ

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

По дисциплине

Теплотехника на обьектах нефтегазового комплекса

направления 130500.62 «Нефтегазовое дело»

всех форм обучения

Часть I

Владивосток 2014

Газотурбинные установки

Методические указания по выполнению лабораторных работ

по дисциплине Теплотехника на обьектах нефтегазового комплекса

для студентов направления 130500.62 «Нефтегазовое дело»

всех форм обучения

Часть I

Содержание

Введение 3

Лабораторная работа № 1. Компрессоры ГТУ 4

Лабораторная работа № 2. Камеры сгорания ГТУ 11

Приложение 1 23

Приложение 2 24

Приложение 3 25

Литература 26

Введение

Цели дисциплины - дать студентам знания, навыки и умения по теплогидродинамическим расчетам и математическому моделированию газотурбинных установок, знание основ проектирования и эксплуатации ГТУ, особенностей газотурбинных установок в сфере их производства и эксплуатации.

Задачами курса является изучение: известных схем и конструкций ГТУ, термодинамических циклов, основ теории турбомашин, камер сгорания и теплообменных аппаратов, систем охлаждения, диагностики установок, методов проектирования и эксплуатации ГТУ.

Дисциплины, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины: высшая математика, физика, термодинамика и теплопередача, гидромеханика. Данная дисциплина является базой для производственных и преддипломной практик. Предмет связан с такими дисциплинами как «Магистральные газопроводы», «Компрессорные станции».

Лабораторная работа № 1.

Компрессоры ГТУ

Цель работы

1. Ознакомление с конструкциями и принципом работы компрессоров.

2. Изучение процесса сжатия рабочего тела в компрессоре.

3. Установление зависимости между температурой окружающей среды и мощностью компрессора.

Задание

1. Определить мощность, затрачиваемую на привод компрессора ГТУ.

2. Установить зависимость между температурой окружающей среды и мощностью, затрачиваемой на привод компрессора.

3. Сопоставить между собой полученные данные.

4. Составить отчёт по работе.

Содержание отчёта

1. ФИО и группа выполняющего, ФИО преподавателя.

2. Название лабораторной работы.

3. Цель и задание лабораторной работы.

4. Схематический рисунок компрессора с указанием основных конструктивных элементов.

5. Исходные данные для расчёта.

6. Расчётная таблица с наименованием искомых величин, формулами, единицами измерений и полученными значениями.

7. График зависимости мощности компрессора от температуры окружающей среды.

8. Вывод по работе.

Основные сведения о компрессорах

В компрессоре, подведённая от турбины механическая мощность затрачивается на увеличение полного давления, полной температуры и полной энтальпии.

Осевой компрессор

В осевом компрессоре поток рабочего тела, как правило, воздуха, движется преимущественно вдоль оси вращения ротора компрессора.

С

Рис. 5. Схема ступени компрессора. РА – рабочая лопатка, НА – направляющий аппарат. Сечения: 1 – перед РК, 2 – за РК, 3 – за НА

Рис. 6. Схема многоступенчатого осевого компрессора: 1-входной патрубок; 2-концевые уплотнения; 3-подшипники; 4-входной направляющий аппарат; 5-рабочие лопатки; 6-направляющие лопатки; 7-корпус 8-спрямляющий аппарат; 9-диффузор; 10-выходной патрубок;

11-ротор

тупень осевого компрессора состоит из подвижных лопаточных решёток ротора, состоящих из лопаток, закреплённых на валу и именуемых рабочими колёсами (РК), и неподвижных лопаточных решёток статора - направляющих аппаратов (НА). В ГТУ применяются многоступенчатые компрессоры (рис. 6).

Пространство между соседними лопатками как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате именуется межлопаточным каналом. Межлопаточный канал как в рабочем колесе, так и в направляющем аппарате диффузорный, то есть расширяющийся. Межлопаточный канал является расширяющимся, когда диаметр окружностей, вписанных в этот канал увеличивается при вписывании этих окружностей от передней кромки к задней.

При прохождении через рабочее колесо, воздух участвует в сложном движении. Абсолютное движение — движение частиц воздуха относительно неподвижных элементов двигателя. (на рис. 7. вектор скорости в абсолютном движении обозначен буквой ). Относительное движение — движение частиц воздуха относительно лопаток вращающегося рабочего колеса. (на рис. 7. относительная скорость обозначена буквой ). Переносное движение — движение рабочего тела вместе с вращающимися лопатками рабочего колеса. (на рис. 7. переносная скорость обозначена буквой U).

Рис. 7. Треугольники скоростей в рабочем колесе и направляющем аппарате компрессора.

Таким образом, когда частицы воздуха попадают в рабочее колесо со

скоростью, обозначенной на рисунке вектором w₁, лопатки воздействуют на частицы воздуха придавая им переносную скорость обозначенную на рисунке вектором U. По теореме сложения скоростей вектор абсолютной скорости равен сумме векторов относительной и переносной скорости U т.е. . При прохождении через рабочее колесо, за счёт диффузорности межлопаточного канала, происходит уменьшение модуля относительной скорости , за счёт кривизны межлопаточного канала происходит изменение направления вектора относительной скорости , w₂. По правилу сложения векторов абсолютная скорость частиц воздуха, в этот момент обозначена вектором u₂, который изменяет направление и увеличивается по модулю. Таким образом в рабочем колесе происходит рост полного давления воздуха, так как в нём подводится внешняя механическая мощность.

После рабочего колеса воздух попадает в направляющий аппарат. За счёт диффузорности межлопаточного канала происходит торможение потока, что приводит к росту статического давления. Кривизна межлопаточного канала приводит к повороту потока для получения необходимиго угла входа потока воздуха в следующее рабочее колесо. Таким образом, ступень за ступенью, происходит повышение давления воздуха. В рабочем колесе падает относительная скорость , в направляющем аппарате падает абсолютная скорость . Перед входом в первое рабочее колесо может быть установлен входной направляющий аппарат (ВНА) который производит предварительный поворот потока воздуха на входе в компрессор.

Для обеспечения оптимальных соотношений и , возможности выбора оптимальных чисел оборотов роторов, а так же для уменьшения масс и инерционности компрессор иногда выполняется в виде двух последовательных блоков КНД (компрессор низкого давления) и КВД (компрессор высокого давления). Применение двухвальных ГТУ улучшает работу компрессоров на переходных режимах, и повышает газодинамическую устойчивость. Другим средством повышения газодинамической устойчивости осевых компрессоров стало применение поворачивающихся направляющих аппаратов для изменения угла входа потока в рабочее колесо в зависимости от режима работы двигателя.

Рис. 8. Компрессорная лопатка. 1 — передняя кромка, 2 — перо лопатки, 3 — задняя кромка, 4 — замок лопатки

Частота вращения роторов современных компрессоров достигает десятков тысяч оборотов в минуту. Переносная скорость в РК зависит от радиуса вращения этой частицы относительно продольной оси двигателя:

,

где - угловая скорость вращения ротора, 1/с

На внешнем радиусе рабочего колеса переносная скорость U вырастает настолько, что относительная скорость движения частицы воздуха становится сверхзвуковой ( , где с – скорость звука). Ступень компрессора где или называют сверхзвуковой.

Рис. 9. ТРД J85 производства компании General Electric. Между 8 ступенями компрессора и 2 ступенями турбины расположена кольцевая камера сгорания.