Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Turbin_gas_2009_4

.pdf
Скачиваний:
15
Добавлен:
12.02.2015
Размер:
193.89 Кб
Скачать

Министерство образования и науки РФ Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ТУРБИНЫ ТЭС И АЭС

Методические указания к курсовому проекту

для студентов направления 650800

Раздел IV «Расчет тепловой схемы

и тепловой расчет проточной части ГТУ»

Электронное издание локального распространения

Одобрено редакционно-издательским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2009

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

СОДЕРЖАНИЕ

 

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГТУ

4

1.1. РАСЧЕТ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ

4

1.2. РАСЧЕТ ЦИКЛА

5

1.3. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И КОЛИЧЕСТВА РАБОЧЕГО ТЕЛА

 

(ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ)

6

РАСЧЕТ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

8

РАСЧЕТ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА

11

РАСЧЕТ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

13

РАСЧЕТ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ ТУРБИНЫ

16

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

20

3

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ГТУ

1.1. Расчет камеры сгорания

Объемный состав топливного газа:

2)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):

0

=

1

 

 

+ 0,5(H 2 )m + 2(CH 4 )m + (m +

n

+ 1,5(H 2S)m

− (O

 

Vm

 

 

0,5(CO)m

 

)(Cm H n )m

2 )m

0,21

4

 

 

 

 

 

 

 

 

Состав продуктов сгорания (газообразного топлива):

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

— трехатомные газы, нм3/нм3

VR O 2 =

1

 

[(CO2 )m + (CO)m + (CH 4 )m + m(Cm H n )m + (SO2 )m + (H 2S)m ];

 

 

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— водяные пары, нм3/нм3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

n

 

 

 

 

VН2O

=

 

 

2 )m + 2(CH

4 )m

+

 

(Cm H n )m

+ (H 2O)m

+ (H

2S)m

100

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свободный кислород, нм3/нм3

VR O 2 = 0,21×(a -1) × Vmin

азот, нм3/нм3

 

 

 

 

 

 

VN 2

= 0,79 × aVmin + 0,01×(N 2 )m ,

где α —

коэффициент избытка воздуха (полный), α=4...6;

Vmin — минимально необходимое количество сухого воздуха (нм3)

для сжигания 1кг (нм3) топлива.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vmin= Lmin

,

 

L

 

=

8

C

 

+ 8H

 

+ S

 

− O

 

1

 

, кг(воздуха)/кг(топлива)

 

3

 

 

 

 

 

 

min

 

 

m

 

m

 

m

 

m 0,232

— 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

Т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3t

 

 

 

3d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

4d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ad

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2t

2d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

То - температура

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

окружающей среды

S

Температура воздуха в конце процесса сжатия:

теоретическая

 

 

 

 

 

 

 

 

k в

−1

 

 

 

 

 

 

T

= T

1 +

ε

k

в

 

− 1

 

;

 

 

2t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— действительная

 

 

 

 

 

k в −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T = T

1 +

 

ε

k в

 

− 1

/ η

 

,

 

2d

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где ηк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КПД осевого компрессора (принять предварительно 0,84...0,9),

kв

показатель адиабаты для воздуха,

 

 

 

 

 

ε —

расчетная степень повышения давления в компрессоре (ε прини-

мается номинальной, или оценивается по изменению числа оборотов от

nном)

 

 

n

ε

 

 

n н о м=

εн о м;

 

 

 

k в − 1

= mв .

 

 

 

k в

 

 

 

 

 

Работа, затраченная на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре:

Нк =

1

СврТ1(εm в − 1), кДж/кг.

 

 

ηк

 

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:

 

 

 

 

 

G 'к = G к (1 + aу ) = b × G т .

3)

Расход топлива:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В =

G т

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + aL0

4)

Мощность, развиваемая газовой турбиной:

 

 

 

 

 

 

 

Nт=GтHтhмех.

5)

Мощность, потребляемая компрессором (механические потери

отнесены к турбине):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N к = G 'кH к .

6)

Коэффициент полезной работы:

 

 

 

 

 

j =

Ne

=1 -

 

bH к

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N т

Нтhме х

7)

Эффективный КПД ГТУ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η

=

G тНе

 

=

Не

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

е

 

 

ВQ нр

 

 

Qe

где Qe =

 

Q р

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

н

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ αL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

точной части ГТУ λ=λ1λ2=δ/ε:

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:

ρ* =

Р1*

 

, кг/м3.

 

 

1

R T

*

 

 

 

 

1

 

Потеря давления торможения во входном патрубке:

Р1*

1 − η

вх

ρа*1

с2

− ω2

 

 

0

1

, Па.

 

 

 

 

2

 

 

ηвх

 

 

8

Принять (с20 ≈ с12 ).

Давление торможения перед первой ступенью

Р1* = Р*а1 − Р1* , Па.

Температура воздуха перед первой ступенью

 

Т1 = Та*

с12

 

, К.

 

 

 

 

 

 

 

 

в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

р

Давление перед первой ступенью

 

 

 

 

 

 

 

 

1/ m

в

 

 

 

 

 

 

Р

 

= Р*

Т1

 

 

 

 

, Па.

 

 

 

 

 

 

1

1 Т1*

 

 

 

 

 

Принять Т1* = Т*а .

Плотность воздуха перед первой ступенью

ρ =

Р1

, кг/м3.

 

1

R в

Т1

 

 

 

Объемный расход воздуха через первую ступень

V = G к , м3/с.

1 ρ1

Окружная скорость концов рабочих лопаток первой ступени:

 

 

 

 

 

n

2

V1

 

0,25

 

 

 

u1п

= 4π

 

 

 

 

, м/с

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 − ν2 )

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

где ν =

d

— относительный диаметр втулки (d— прикорневой диа-

 

1

d1п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 d= d1пν1, м.

Высота рабочих лопаток первой ступени:

9

l1 = d1п − d. 2

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

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

Температура торможения за компрессором (по располагаемому теплоперепаду):

Н*0 = СврТ*а1(em в -1), кДж/кг;

*

Т*в = Т*= 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

DР*в2

» (1 - hвых) × rz

c2z - w2в2

, Па.

 

 

2

 

Принять rz = r*в2 .

 

 

 

Давление торможения за последней ступенью:

Р2z = Р*в2 + DР*в2 , Па.

Температура воздуха за последней ступенью:

Тz

= Т*в2

-

с2z - w2в2

, К.

 

 

 

 

р

Давление воздуха за последней ступенью

 

 

T

 

 

1/ m в

 

 

z

 

Рz

= Р*z

 

 

 

, Па.

 

 

 

 

T

*

 

 

 

 

z

 

Плотность воздуха за последней ступенью:

rz

=

Pz

, кг/м3.

 

 

 

R Tz

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

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]