Meuk_gtu

2

УДК 621.438

Паротурбинные и газотурбинные установки. Методические указания к курсовой работе по разделу «Газотурбинные установки». Для студентов специальности “Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели”.

В 1-й части курсовой работы излагается метод расчета цикла ГТУ, выполненной по простейшей тепловой схеме, как с регенератором, так и без него. Расчет производится для ряда значений степени повышения дав-

ления воздуха в компрессоре πК с использованием термодинамических π(Т) функций. В результате расчета цикла определяется оптимальное зна-

чение πКопт .

Во 2-й части рассматривается порядок расчета осевого компрессора методом моделирования, определения числа ступеней, геометрических характеристик и других параметров компрессора.

В3-й части курсовой работы описывается порядок определения числа ступеней турбины, разбивка теплоперепада по ступеням, определение высот рабочей лопатки последней ступени и сопловой лопатки первой ступени, а также последовательность построения схемы проточной части.

В4-й части излагается методика расчета проточной части газовой турбины по среднему диаметру с учетом охлаждения. Расчет предполагается выполнять с использованием персонального компьютера по готовой программе.

Составители: проф. С.М.Вохмянин, проф. И.А.Богов, доц. А.А.Смирнов, доц. А.П.Безухов, доц. В.В.Толмачев

Рецензент: начальник отдела газовых турбин филиала «Ленинградский металлический завод» ОАО «Силовые машины» Варламов И.С.

Исходные данные для выполнения курсовой работы. . . . . . . . . . . . . . . 5

Часть 1 Расчет и оптимизация цикла газотурбинной установки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Часть 2 Выбор типа осевого компрессора, определение его характеристик и основных размеров методом моделирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Часть 3 Определение числа ступеней и основных геометрических размеров проточной части

газовой турбины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Часть 4 Тепловой расчет проточной части турбины по среднему диаметру. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

ПРИЛОЖЕНИЯ

Форма титульного листа расчетно-пояснительной записки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Исходные данные для выполнения курсовой работы. . . . . . . . . . . . . . . 53

Таблицы термодинамических π(Т) функций для сухого воздуха и продуктов сгорания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Универсальные характеристики модельных компрессоров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4

ЦЕЛЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа выполняется студентами параллельно с курсом лекций “Энергетические машины” (раздел “Газовые турбины и газотурбинные установки”) и ее целью является углубленное проработка соответствующих разделов курса, приобретение практических навыков по оптимизации параметров цикла газотурбинной установки и тепловым расчетам ее элементов, а также закрепление студентами теоретического материала дисциплин "Техническая термодинамика", "Теория турбин", "Теплообменные аппараты газотурбинных установок".

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа состоит из следующих четырех частей:

Часть 1. Расчет и оптимизация цикла газотурбинной установки. Часть 2. Выбор типа компрессора, определение его характеристик и

основных размеров методом моделирования.

Часть 3. Определение основных геометрических размеров турбины. Часть 4. Тепловой расчет проточной части турбины по среднему диа-

метру.

КОНТРОЛЬ НАД ВЫПОЛНЕНИЕМ КУРСОВОЙ РАБОТЫ.

ОФОРМЛЕНИЕ И ЗАЩИТА РАБОТЫ

Курсовая работа выполняется в сроки, предусмотренные единым учебным планом по графику, утвержденному деканом турбиностроительного факультета.

Курсовая работа оформляется в виде расчетно-пояснительной записки (в электронном виде в формате Microsoft Word), в которой излагаются результаты всех выполненных студентом расчетов с необходимым пояснительным текстом и графическим материалом.

Титульный лист пояснительной записки выполняется по форме, приведенной в приложении. На следующей после титульного листа странице приводятся исходные данные для выполнения курсовой работы. Далее следует тепловая схема газотурбинной установки и изображение цикла ГТУ в Т-s или i-s диаграммах.

5

Последующее оформление курсовой работы проводят в соответствии с ее содержанием. В конце пояснительной записки помещают заключение по выполненной работе и список использованной литературы.

Защита курсовой работы производится после ее выполнения в конце семестра в следующей последовательности: сначала студент делает краткое сообщение об основных особенностях выполненной работы, а затем отвечает на вопросы преподавателя, относящиеся к курсовой работе.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Исходные данные для выполнения курсовой работы определяются заданием, в котором указываются:

-назначение газотурбинной установки;

-расход воздуха через компрессор GК (кг/с) или полезная мощность

газотурбинной установки Nе (кВт);

-температура газа перед турбиной Тг* (К);

-температура Тнв* (К) и давление Pнв* (бар) наружного воздуха;

-степень регенерации σ (если регенератора нет, то σ=0) ;

-вид топлива и его низшая теплотворная способность Qнр (кДж/кг);

-частота вращения силового вала турбины n (об/с) ;

-удельный расход воздуха на утечки через лабиринтные уплотнения

Gут = GутGк ;

- адиабатный КПД проточной части турбины по заторможенным параметрам η*т ад ;

-адиабатный КПД проточной части компрессора по заторможенным параметрам ηк* ад ;

-тепловой КПД блока камер сгорания ηкс ;

-механический КПД ГТУ ηмех .

Исходные данные для каждого варианта приведены в приложении.

6

Часть 1

РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Цикл газотурбинной установки рассчитывают при заданной начальной температуре Тг* для нескольких значений степени повышения давле-

Оптимальное значение πк опт выбирают исходя из назначения ГТУ,

режима ее работы, а также возможных заданных ограничений по весу, габаритам, температуре на выхлопе из газовой турбины.

Параметры цикла определяют в следующей последовательности.

Компрессор

Удельную энтальпию наружного воздуха iнв определяют по заданной величине наружного воздуха Тнв* из таблиц (диаграмм) термодинамиче-

ских π(Т) функций для сухого воздуха, т.е. для коэффициента избытка воздуха α = ∞ и влагосодержания d=0 , приведенных в работе [1] и в

таблицах приложения.

Удельная энтальпия потока воздуха, заторможенного на входе в компрессор, iвх* принимается равной iнв .

По величине iвх* из таблиц π(Т) функций находят соответствующие

значения термодинамической функции π(ТВХ)

Полное давление воздуха Pвх* перед компрессором ГТУ рассчитывают из соотношения:

Рвх* = Рнвνвх ,

где νвх - коэффициент потери давления во входном участке воздушного тракта компрессора, включая воздухозаборное устройство (воздушный

7

фильтр). Величина νвх в реальных установках составляет 1.01…1.02. В расчетах примем νвх =1.015 .

Полное давление воздуха за компрессором определяют по формуле:

Р*2к = Рвх* πк .

Для изоэнропического процесса сжатия воздуха в компрессоре справедливо уравнение

По значению π Т*2киз из таблиц π(Т) функций для сухого воздуха

(α = ∞ , d=0) определяют удельную энтальпию воздуха в конце изоэн-

тропического процесса сжатия i*2киз .

Удельную работу, потребляемую компрессором, рассчитывают по формуле:

Удельную энтальпию воздуха за компрессором из соотношения:

i*2к = i*вх +Нк .

По найденному значению i*2к из таблиц π(Т) функций определяют температуру заторможенного потока воздуха за компрессором Т*2к .

Мощность, потребляемую компрессором, рассчитывают по формуле:

Nк = GкHк .

Камера сгорания

Полное давление перед газовой турбиной находят по формуле:

Р1*т = Р*2к νвд ,

где νВД - коэффициент потерь давления на участке газовоздушного тракта между компрессором и турбиной, включая камеру сгорания.

8

Для установок без регенератора коэффициент νВД принимают равным

1.03. Включение регенератора в схему ГТУ приводит к увеличению гидравлических потерь как по воздушной, так и по газовой стороне газовоздушного тракта. Поэтому в этом случае коэффициент νВД увеличивается

до значений 1.05…1.06 (в расчетах примем νВД = 1.055).

Удельный расход топлива в камере сгорания рекомендуется находить по формуле В.В.Уварова:

где i*В(КС) и i*В(0) - удельные энтальпии воздуха, определяемые соответственно по значениям его температуры на входе в камеру сгорания и температуре Т0* , при которой определяют теплоту сгорания топлива Qнр(0) (обычно

Т0* = 293 К) ;

iг*(г) и iг*(0) - удельные энтальпии продуктов сгорания, определяемые соответственно по значениям их температуры на выходе из камеры сгорания Тг* = Т1*т и Т0* = 293 К из таблиц π(Т) функций для сухих продуктов

сгорания ( α = 4.0 , d = 0 ) .

При наличии регенерации

i*В(КС) = i*2К +σ (i*4Т −i*2К).

Так как энтальпия на выходе из турбины i*4т еще не определена, то вычисление i*В(КС) а, следовательно, и qт следует отложить до получения значения i*4т (см. ниже).

Газовая турбина

Расход газа (продуктов сгорания) через проточную часть газовой турбины рассчитывают по формуле:

Gг = Gк(1+qт)(1−mGохл−Gут),

где m - коэффициент, характеризующий ту долю охлаждающего воздуха, которая не возвращается в проточную часть турбины; значение m определяется по приведенной ниже табл. 1.1 в зависимости от температуры Тг* ;

9

Gохл = GохлGк - удельный расход воздуха на охлаждение элементов турбины, который определяется также в зависимости от Тг* по табл. 1.1.

Таблица 1.1

Зависимость величин Gохл, ηохл и m от температуры Тг*

Понятно, что расход газа через турбину может быть рассчитан только при известном расходе Gк . Если этот расход не задан, то к определению

Gг следует вернуться после нахождения значения Gк (см. ниже).

Полное давление газа за турбиной

Р*2т = Рн*.вνвых ,

где νвых - коэффициент потерь давления на выходном участке газового

тракта, который в расчетах при отсутствии регенерации принимают равным 1.01. При наличии в схеме ГТУ регенератора из-за повышения потерь давления νвых рекомендуется принимать в пределах 1.03…1.04 (в расчетах

примем 1.035).

Степень расширения газа в турбине

Из уравнения обратимой адиабаты в π(Т) функциях

где π Тг* определяют по заданному значению Тг* из таблиц π(Т) функ-

ций для сухих продуктов сгорания, находят значение термодинамической функции π Т*4тиз .

10

По значению π Т*4тиз находят соответствующую величину удель-

ной энтальпии i*4тиз.

Удельная работа, развиваемая газовой турбиной, рассчитывается по соотношению :

мику проточной части турбины. Его величину принимают по табл. 1.1 в зависимости от Тг* .

Мощность, развиваемая газовой турбиной

Nт = GгНт .

Полную удельную энтальпию газа за турбиной определяют по форму-

ле:

i*4т = iг* −Нт .

Температуру заторможенного потока газа за турбиной Т*4т находят по энтальпии i*4т .

Полезная мощность на валу ГТУ

Ne =Nтηмех −Nк .

Если вместо расхода GК задана полезная мощность ГТУ Ne , то не-

обходимый расход воздуха через компрессор рассчитывают из уравнения:

Gк (1+qт)1−mGохл − Gут Нт ηмех = GкНк +Nе ,

после чего определяют величины Nк , Gг, Nт и Nе по формулам, приве-

денным выше.

Массовый расход топлива в ГТУ

Gтоп = Gк 1−mGохл − Gут qт .

Удельный расход топлива, отнесенный к полезной мощности на валу ГТУ,

gтоп = GтопNe .

Эффективный КПД ГТУ определяют по формуле