ДИПЛОМ

1. ВВЕДЕНИЕ.

В настоящие время существует проблема получения электроэнергии в местах, удаленных от крупно населенных районов. К таким местам относятся разработка месторождений полезных ископаемых, геологических станций и т. д.

Одним из решений этой проблемы могут стать энергетические установки на базе газотурбинных двигателей, в которых химическая энергия топлива (природного газа) преобразуется в электрическую энергию посредствам вращения двигателем генератора, связанных через редуктор.

Достоинством таких энергетических установок является автономность, компактность, высокий коэффициент полезного действия газотурбинного двигателя, высокая мощность.

Задачей данного дипломного проекта – проект ГТД двухтопливного исполнения с мощностью на номинальном режиме Ne= 6 МВт при условиях на земле Mп=0, Hп=0.

Прототипом для двигателя газотурбинной установки послужил авиационный турбореактивный двухконтурный двигатель Д-30 III серии , т. к. этот двигатель обладает большим ресурсом, устойчив к работе, имеет модульную конструкцию и технологию производства, отрабатывавшуюся в течении многих лет. Произведенные конструктивные изменения позволили получить свободную турбину. Газотурбинная установка (ГТУ) предназначена для привода синхронного генератора в составе электростанции.

В состав газотурбинной установки входят:

- газотурбины двигатель ;

- рама двигателя;

- трансмиссия ;

- входная камера;

- редуктор;

- рама редуктора;

- фрикционная муфта;

- выходное устройство;

- трубопроводные модификации;

- электропроводка;

Составные части ГТУ могут монтироваться как на общей раме, входящей в состав, так и на отдельной фундаменте.

Конструкция ГТУ позволяет производить замену в эксплуатации всех составных частей , а также отдельных узлов и агрегатов систем двигателя и редуктора.

Газотурбинный двигатель (ГТД) предназначен для получения механической мощности на валу свободной турбины (СТ) посредствам использования энергии горячего газа.

Рама двигателя служит для установки двигателя на опорную поверхность электростанции и входит в состав двигателя.

Трансмиссия предназначена для передачи мощности с вала ротора СТ двигателя на редуктор и с редуктора на генератор.

Входная камера служит для подвода воздуха к двигателю.

Редуктор служит для снижения частоты вращения ротора СТ до частоты вращения генератора.

Рама редуктора служит для установки редуктора на опорную поверхность электростанции.

Муфта фрикционная предназначена для передачи крутящего момента от редуктора ГТУ к генератору и предотвращения поломки двигателя, редуктора и генератора электростанции при резком увеличении нагрузки генератора.

Выходное устройство служит для отвода выхлопных газов от двигателя и воздуха, охлаждающего корпуса камеры сгорания и турбины.

Трубопроводные модификации ГТУ обеспечивают трубопроводную связь агрегатов топливной, системы смазки и суфлирования двигателя и редуктора, системы отбора воздуха, а так же связь ГТУ с системами станции.

Электропроводка ГТУ предназначена для соединения электрических элементов и агрегатов ГТУ между собой и системами станции.

2. Основной раздел

2.1. Описание двигателя прототипа

Тип двигателя. Турбореактивный двухконтурный,

двухвальный с реверсом тяги.

Компрессор:

а) тип Осевой, двухкаскадный с 1-й

сверхзвуковой ступенью первого

каскада.

б) число ступеней:

первого каскада 5

второго каскада 10

в) степень повышения давления при стандартных атмосферных условиях на земле:

первого каскада 2,62±0,1

второго каскада 6,2±0,1

сумма первого и второго

каскадов 16,3±0,2

г) особенности конструкции компрессор: имеет автоматически управляемые заслонки перепуска воздуха после 4 и 5 ступеней второго каскада и двухпозиционный ВНА с поворотными лопатками 2-го каскада компрессора.

Камера сгорания

а) тип Трубчато-кольцевая

б) число жаровых труб 12

в) размещение жаровых труб по окружности относительно

оси двигателя

г) температура газа на выходе из 1357 К (номинальный режим)

камеры сгорания

Турбина:

а) тип осевая

б) число ступеней:

первой турбины для второго каскада компрессора - 2

второй турбины для первого каскада компрессора - 2

Реверсивное устройство двигателя:

а) тип - двухстворчатое с отклоняющимися решетками

б) число решеток -2

в) число пневмоцилиндров управления поворотом створок - 4

Реактивное сопло:

а) тип - дозвуковое нерегулируемое со смесителем

б) площадь среза сопла -

Размеры двигателя:

а) длина с коком - 4835,510мм

б) длина без кока - 4733,5±10мм

в) диаметр входного корпуса первого каскада компрессора (без учета выступающих деталей и агрегатов) - 1050мм

г) расстояние между центром тяжести двигателя со всеми агрегатами, в том числе и самолетным, и плоскостью крепления подвесок по направлению к соплу - 128±10мм

Система смазки Незамкнутая с откачкой масла в бак

Сорт масла МК-8(ГОСТ 6457-66),

ВНИИ НП-50-1-4Ф (ГОСТ 13076-77)

Сорт топлива (рабочее и пусковое) Т-1, ТС-1 (ГОСТ 10227-62), РТ

(ГОСТ 16564-71) с присадкой 0,003%

ионола

Насос -регулятор предназначен для дозировки подаваемого в КС топлива

с поддержанием заданного режима на всех скоростях и высотах полета, а также при запуске, приемистости и на режимах реверсирования тяги:

а) условное обозначение - НР-30 АР

б) тип плунжерный с центробежным регулятором частоты вращения,

исполнительным механизмом ограничения температуры газа за турбиной,

электроостановом и механизмом управления реверсивным устройством

в) число - 1

г) частота вращения включения режима

автоматического регулирования - 9700±50об/мин. (83,0…84,0%)

Центробежный регулятор, предназначен для ограничения максимальной частоты вращения первого каскада компрессора:

а) условное обозначение - ЦР-1ВР

б) тип - гидромеханический

в) число - 1

г) частота вращения ограничения ротора

первого каскада - 9700±50 об.мин. (92,5…93,5%)

Центробежный регулятор, предназначенный для автоматического управления заслонками перепуска воздуха из-за 4 и 5 ступеней, управления поворотными лопатками ВНА и воздухозаборника из-за 10 или 5 ступеней второго каскада, отключение воздушного турбостартера и включения системы сигнализации минимального давления масла:

а) условное обозначение - ЦР-2ВР

б) тип - гидромеханический

в) число - 1

г) частота вращения отключения воздушного турбостартера и включения сигнализации минимального давления масла - 4300±200 об./мин. (35,0…38,5%)

Система запуска: автономная с воздушным

Турбостартером

Воздушный турбостартер:

а) условное обозначение - СтВ - 10

б) число - 1

в) частота вращения аварийного отключения турбостартера ( по выходному валу) - об./мин.

Система зажигания топлива:

а) агрегат зажигания: условное обозначение – СКНА-22-2А, тип- конденсаторный низковольтный, число -1, время работы при запуске 29±1 с

б) свечи зажигания: условное обозначение – СП-06ВП, тип- поверхностного разряда, число -2

2.2. Описание силовой установки.

Газотурбинный двигатель (ГТД) состоит из выходного устройства, разделительного корпуса, однокаскадного 10- ступенчатого осевого компрессора, трубчато- кольцевой камеры сгорания (КС) с 12- тью жаровыми трубами, осевой турбины, включающей 2- ступенчатую турбину компрессора и 2- ступенчатую свободную турбину, задней опоры, выходного устройства.

Предусмотрена замена всех комплектующих агрегатов, узлов, оборудования. Конструкция позволяет проводить визуально - оптический контроль и другие специальные виды контроля деталей газо- воздушного тракта.

Входное устройство осуществляет подвод воздуха к двигателю с минимальными потерями.

Разделительный корпус является силовым элементом двигателя.

Устанавливается между входным устройством и компрессором. На нем имеются кронштейны крепления двигателя на подмоторной раме. Внутри разделительного корпуса устанавливается передняя шарикоподшипниковая опора ротора свободной турбины и центральный привод.

Центральный привод служит для передачи мощности на верхнюю и нижнюю коробки приводов. В корпусе центрального привода размещена передняя роликоподшипниковая опора ротора компрессора.

Верхняя и нижняя коробки приводов обеспечивают привод устанавливаемых на них агрегатов, систем, обслуживающих двигатель и редуктор.

Осевой компрессор служит для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания. Для устойчивой работы на всех режимах компрессор оснащен 2- х позиционным входом направляющими аппаратами и автоматически управляемыми заслонками и клапанами перепуска воздуха из-за 4 и 5 ступени. Для облегчения запуска за 10 ступенью расположен клапан перепуска воздуха.

Камера сгорания обеспечивает подвод тепла к рабочему телу (воздуху) посредствам сжигания топлива. Расположена между компрессором и турбиной. Имеет трубчато кольцевую конструкцию с 12- тью жаровыми трубами, расположенными вокруг оси двигателя. Для распыления топлива в каждой жаровой трубе установлена форсунка. Топливо воспламеняется при помощи двух форсунок.

Осевая турбина состоит из 2-х ступенчатой турбины компрессора и 2-х ступенчатой свободной турбины, осуществляющей привод генератора через редуктор с помощью трансмиссии. Сопловые аппараты 1-й ступени ТК, рабочие лопатки 1-й ступени ТК, диски всех ступеней турбины охлаждаются воздухом, отбираемым от компрессора.

Задняя опора является силовым элементом двигателя. В ее корпусе расположена задняя роликоподшипниковая опора ротора свободной турбины.

Для определения технического состояния ГТУ во время эксплуатации осуществляется контроль основных параметров при помощи соответствующих датчиков и сигнализаторов, установленных на двигатель и редукторе, которые преобразуют измеренные значения контролируемых параметров в аналоговые и дискретные электрические сигналы для выдачи в автоматическую систему управления и систему управления электростанцией.

При работе двигателя мощность с вала свободной турбины через трансмиссию передается на редуктор. Пластинчатые муфты трансмиссии компенсируют отклонение от соосности валов свободной турбины и редуктора. В редукторе происходит снижение частоты вращения ротора СТ до частоты вращения синхронного генератора. Мощность с выходного вала редуктора через вал соединительный передается на муфту фрикционную. Пластичная муфта редуктора и дисковая муфта муфты фрикционной компенсируют отклонение от соостности валов редуктора и генератора. Через муфту фрикционную, мощность передается на привод генератора электростанции.

2.3. Газодинамический расчет двигателя

2.2.1 Предварительный расчет двигателя

Рассчитать двигатель с эффективной мощностью Nе=6000 кВт в стендовых условиях ( Н=0, V=0).

π_к^*=7,4 ɳ_к^*=0,8700

Т_г^*=1030К ɳ_т^*=0,9100

=200м/с ɳ_ст^*=0,9000

=0,345 кг*Т/кВт ɳ_тр=0,9900

К=1,4 ɳ_г=0,9800

=1,33 ɳ_тк^*=0,9000

=1005 Дж/кг φ_с=0,9700

=1160 β=1,0100

σ_вз^*=0,9800 ξ=0,9800

σ_су^*=1,0000 μ=1,0200

σ_кс^*=0,9600

Свободная энергия в двигателе:

* L_СВ=, Дж/кг

Lсв= 1,02

Определяем удельную мощность двигателя N_{е уд}, Дж/кг·(Вт·с/кг):

N_{е уд} =· =

Определяем удельный расход воздуха через двигатель G_в,

G_в=

Относительный подогрев воздуха в КС:

Δ _кс = =

Δ _кс =

_ц = = = 3,58

_к =

Эффективный КПД двигателя:

ɳ_е = =

= 0,00357 · 63,953 = 0,233

Удельный расход топлива

с_е =

Удельный эффективный расход топлива :

с_е =

Теплотворная способность топлива.

Н_u = = = 43166 · 10³

Расчет параметров:

R (R_г) R = с_р (к-1)/ к = 287,143

Полная температура воздуха (для стенда):

Т_н^* = Т_н = 288

Полное давление: р_н^* = р_н´ = 101325

Статическая температура в-ха Т_н, К:

Т_н = Т_н^*- = 288- = 285,2

с_н´ = 75

Статическое давление воздуха р´_н,

р_н = = 101325

Статическая плотность воздуха:

р_н´ = =

Площадь сечения:

F_н´ =

Наружный диаметр на входе в двигатель:

D_н´ = = 1,007

Сечение вх-вх (на входе в компрессор)

Полная температура воздуха

Т_вх^*= Т_н´^*= 288

Полное давление воздуха:

р_вх^*=р^*_н´·σ^*_вх= 101325 · 0,98 = 99298,5

Статическая температура воздуха:

Т_вх = Т_вх^*-