Turbin_gas_2009_4

Все права на размножение и распространение в любой форме оста-

ются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта за-

прещено.

Составители: Антропов Павел Георгиевич,

Соколов Андрей Анатольевич, Ларин Евгений Александрович

Под редакцией П. Г. Антропова

Рецензент В.А. Хрусталев

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77

Научно-техническая библиотека СГТУ тел. 52-63-81, 52-56-01

http://lib.sstu.ru

Регистрационный номер

© Саратовский государственный технический университет, 2009

2

3

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГТУ

1.1. Расчет камеры сгорания

Объемный состав топливного газа:

(Н2)m; (CO)m; (CH4)m; (CmHn)m; (H2S)m; (CO2)m; (H2O)m.

Принимаем объемное содержание кислорода в воздухе 21%. Теоретический расход воздуха, необходимый для сжигания 1нм3 га-

зообразного топлива, нм3(воздуха)/нм3(топливного газа):

Состав продуктов сгорания (газообразного топлива):

— углекислый газ, (на 1 нм3 топливного газа) VCO 2 = (CO)m / 100 ;

— трехатомные газы, нм3/нм3

—свободный кислород, нм3/нм3

VR O 2 = 0,21×(a -1) × Vmin

—азот, нм3/нм3

— минимальное количество сухого воздуха, теоретически необходимое для сжигания 1 кг топлива;

Cm; Hm; Sm; Om — составные элементы топлива, выраженные в долях

1 кг.

L0 = V0 ,

где — относительная плотность газа по воздуху.

4

1.2. Расчет цикла

S

Температура воздуха в конце процесса сжатия:

—теоретическая

мается номинальной, или оценивается по изменению числа оборотов от

Температура газов на входе в газовую турбину:

1)Т3 задается по условиям расчета;

2)Т3d = T4t εm г ,

где mг = k г − 1 , kг -показатель адиабаты дымовых газов (рабочего тела ГТ) k г

5

или:

определяем при заданных e и Т3: d=Р3d/P4; l1=P3t/P2 — коэффициент потерь в воздушном тракте и КС (задаемся l1=0,97...0,98); l2=P1/P4=0,96...0,98 —

коэффициент потерь во всасывающем (компрессор) и выходном (турбина)

трактах ГТУ,

d = l1 × l2 × e .

Тогда (предварительно): T4d = T3d [1 − (1 − δ −m г )ηт ], К

где ηт — КПД турбины (ηт=0,85...0,89).

Работа расширения 1 кг рабочего тела в турбине: H т = hтСгрТ3d (1 - d−m г ), кДж/кг.

1.3. Расчет мощности и количества рабочего тела (предварительный)

Уточнить значение a и определить количество теплоты:

a = (Qнр × hк с- Qc ) , L0 × Q к с

где Qнр — низшая рабочая теплота сгорания топливного газа, кДж/кг (определяется по составу или берется по справочнику);

hкс — КПД камеры сгорания (принять предварительно 0,96...0,99); L0 — количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг то-

пливного газа, кг/кг.

Количество теплоты. переданное топливному газу в КС: Qc = h 3 − h тп − (h 4d − h 2пd )σ , кДж/кг

где h3 — энтальпия продуктов сгорания, кДж/кг (определяется по Т3 и составу);

hтп — энтальпия топливного газа на входе КС, кДж/кг (оценивается по температуре и составу топливного газа);

h4d — энтальпия продуктов сгорания на выхлопе ГТ (определяется по Т4d и составу);

h 2пd — энтальпия продуктов сгорания при температуре воздуха Т2d (определяется при температуре Т2d и составу).

σ= Tad − T2d — степень регенерации (можно задать по известным

T4d − T2d

паспортным данным σ=0,5...0,75); σ=0 в ГПА без регенерации. Количество теплоты, переданное воздуху в КС:

Q к с= h 3 − h 2d − (h 4d − h 2пd )σ , кДж/кг

6

где h2d — энтальпия воздуха после компрессора, кДж/кг. Определение энтальпий (возможный способ):

h4d=h3-Hт, кДж/кг; h2d=h1+Hк, кДж/кг.

Расчет тепловой схемы после окончательного определения α:

1) Расход газа через турбину (из уравнения мощности ГТУ, без учета охлаждения воздухом):

Gт=Ne/He,

где He=Hтηмех-bHк — эффективная энергия; ηмех=0,98...0,99 — механический КПД;

b = αL0 (1 + αу ) ; 1 + αL0

αу=0,005...0,02 — коэффициент, учитывающий дополнительные утечки воздуха через уплотнения турбины.

2) Расход воздуха, подаваемый компрессором:

7

РАСЧЕТ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

Исходные данные для расчета:

—начальная температура воздуха перед компрессором (по парамет-

рам торможения) Т1* , К;

—начальное давление воздуха (по параметрам торможения) Р1* , Па;

—отношение давлений в компрессоре: ε;

—расход воздуха через компрессор: Gк, кг/с;

—частота вращения ротора nк=nТВД, с-1 (принять по частоте nТВД);

—принять коэффициент аэродинамического сопротивления про-

для ГТУ без регенерации λ= для ГТУ с регенерацией λ=

2.1. Выбор типа проточной части.

Предварительный выбор проточной части проводится в соответствии с рекомендациями /3/. (Постоянный диаметр корпуса, постоянный диаметр ротора).

2.2.Предварительный выбор числа ступеней делается с аналога:

z=12...20.

2.3.Расчет осевого компрессора.

Принять осредненное значение для воздуха:

Rв=287 кДж/(кгК); Ср=1,005 кДж/(кгК); k=1,4; mв=(kв-1)/kв=0,286.

Оценить параметры воздуха перед первой и за последней ступенями ОК (скорости и КПД):

—скорость во входном патрубке ω11 = 30...50 м/с;

—скорость перед первой ступенью с1 = 120...170 м/с;

— скорость в выходном патрубке ω2в = 35...50 м/с;

—скорость за последней ступенью с2=110...130 м/с;

—КПД входного патрубка ηвх=0,9...0,91;

—КПД выходного патрубка ηвых=0,5...0,6;

—КПД компрессора ηк=0,84...0,9.

Значения с1 и сz принимаются ориентировочно и будут в последствии уточняться.

Плотность воздуха перед компрессором, по параметрам торможения:

Потеря давления торможения во входном патрубке:

8

Принять (с20 ≈ с12 ).

Давление торможения перед первой ступенью

Р1* = Р*а1 − Р1* , Па.

Температура воздуха перед первой ступенью

Принять Т1* = Т*а .

Плотность воздуха перед первой ступенью

Объемный расход воздуха через первую ступень

V = G к , м3/с.

1 ρ1

Окружная скорость концов рабочих лопаток первой ступени:

метр первой ступени; d1п — периферийный диаметр первой ступени). Принимается по аналогу:

ν1=0,5...0,8, меньшие значения принимают для осевых компрессоров (ОК) большой производительности (G>400 кг/с), иногда принимают 0,36...0,4.

ϕ1 = с1s — коэффициент расхода первой ступени, принимается в u1п

пределах ϕ1=0,5...0,8 (меньшие значения соответствуют меньшим значени-

ям ν1).

Меридиональная проекция скорости перед 1 ступенью с1s = ϕ1u1п , м/с.

Диаметры первой ступени:

—периферийный d1п = uπn1п , м;

—прикорневой d1к = d1пν1, м.

Высота рабочих лопаток первой ступени:

9

l1 = d1п − d1к . 2

Произвести аналогичную оценку параметров воздуха за последней ступенью и определить ее размеры.

Давление торможения за компрессором Р*в = Р*2д = e × Р*а1 , Па.

Температура торможения за компрессором (по располагаемому теплоперепаду):

Н*0 = СврТ*а1(em в -1), кДж/кг;

*

Т*в = Т*2д = Т*а1 + h1* × Нв0 , К.

к Ср

Принять h*к = hк .

Плотность воздуха за компрессором (по параметрам торможения)

*

r*в2 = Рв2* , кг/м3.

R Тв

Потеря полного давления в выходном патрубке

Давление торможения за последней ступенью:

Р2z = Р*в2 + DР*в2 , Па.

Температура воздуха за последней ступенью:

Давление воздуха за последней ступенью

Плотность воздуха за последней ступенью:

В целях уменьшения числа ступеней компрессора принимают периферийный диаметр последних ступеней постоянным (dп=const).

Тогда диаметр корневых сечений рабочих лопаток последней ступени найти по уравнению неразрывности:

10