Meuk_gtu
.pdf
11
Удельную полезную мощность определяется как
Ne = NeGк .
По результатам расчетов строят графики зависимостей ηe = ηe (πк) , Ne = Ne (πк) и ηe = ηe (Ne), являющиеся исходными для определения оп-
тимальной степени повышения давления в цикле ГТУ.
Общий вид этих зависимостей для безрегенеративного цикла ГТУ показан на рис. 1.1 и 1.2.
Рис. 1.1 – Зависимости ηe = ηe (πк) и Ne = Ne (πк) (для ГТУ без регенерации)
12
Рис. 1.2 – Зависимость ηe = ηe (Ne) (для ГТУ без регенерации)
Результаты расчета цикла ГТУ должны быть представлены в табличной форме (см. табл.1.2)
Таблица 1.2. Форма таблицы для представления результатов расчета цикла ГТУ
|
|
Наименование |
|
|
Обозна- |
|
|
Размер |
|
|
Расчетная |
|
|
Степень повышения давления |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
πк |
|
|||||||
№ |
|
величины |
|
|
чение |
|
|
ность |
|
|
формула |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
πк1 |
πк2 |
πк3 |
|
... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13
Часть 2
ВЫБОР ТИПА ОСЕВОГО КОМПРЕССОРА, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И
ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ МЕТОДОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ
Метод моделирования (полного) основан на использовании в качестве прототипа ("модели") для вновь проектируемых ГТУ существующих компрессоров, имеющих высокие показатели экономичности и надежности.
Спроектированная по этому методу проточная часть натурного компрессора представляет собой выполненную в определенном масштабе проточную часть прототипа, имеющую тождественные с ней характеристики, построенные в параметрах подобия.
Как показано в работе [2], условия подобия натурного и модельного компрессора записываются в виде:
|
|
T* |
|
|
|
|
|
|
T* |
|
|
G |
|
|
|
|
G |
|
, |
||||
|
к |
0 |
|
= i2 |
к |
0 |
|
||||
|
P* |
|
|
|
|
|
P* |
|
|
||
|
|
0 |
н |
|
|
|
|
|
0 |
м |
|
|
n |
|
|
|
1 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
, |
|
|||
|
|
T* |
|
|
i |
|
T* |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0 |
н |
|
|
|
|
0 |
м |
|
|
|
|
πкн* = πкм* , |
|
|
|
||||||
|
|
η* |
|
= η* |
|
, |
|
|
|||
|
|
над |
|
|
мад |
|
|
|
|||
где i =Dн/Dм- масштаб моделирования.
Используя эти условия и имея универсальную характеристику модельного компрессора, выбирают режим моделирования и находят мас-
штаб моделирования i, умножив на который все чертежные размеры модели, получают соответствующие размеры проточной части проектируемого компрессора.
Универсальные характеристики компрессоров, принимаемых в качестве прототипов ("моделей") приведены в приложении, а их основные характеристики на расчетных режимах - в табл. 2.1.
При выборе режима моделирования на универсальной характеристике прототипа намечают область, в которой выполняются условия
π* |
= π* |
и η* |
= η* |
, |
кн |
км |
над |
мад |
|
В этой области коэффициент запаса устойчивости компрессора Ку должен быть не менее заданного
14
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
Значения основных параметров модельных компрессоров на расчетных режимах |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
№ |
Наименование |
Размер |
|
|
Обозначение модельного компрессора |
|
|
|
|||
|
характеристики |
ность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КНД |
КВД |
ГТУ- |
ГТУ- |
КВД |
ГТ-700-5 |
ГТК-10 |
ПГУ-200 |
|
||
|
|
|
ГТ-100 |
ГТ-100 |
200 |
200 |
ГТУ-42 |
|
|
|
|
1 |
Массовый расход |
кг/с |
432 |
432 |
630 |
743 |
20.5 |
45.3 |
82.4 |
213 |
|
2 |
Степень повышения дав- |
-- |
4.3 |
6.5 |
15.6 |
12.0 |
4.5 |
3.9 |
4.3 |
6.7 |
|
|
ления |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Частота вращения вала |
об/мин |
3000 |
4100 |
3000 |
3000 |
8200 |
5000 |
5220 |
3000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
Адиабатический КПД |
-- |
0.84 |
0.865 |
0.85 |
0.87 |
0.893 |
0.893 |
0.865 |
0.87 |
|
5 |
Температура на входе |
К |
283 |
308 |
288 |
288 |
292 |
238 |
288 |
288 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
Давление на входе |
бар |
1.012 |
4.12 |
1.012 |
1.012 |
1.012 |
1.012 |
1.012 |
1.012 |
|
7 |
Наружный диаметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рабочего колеса 1-й |
м |
2.35 |
1.377 |
2.111 |
2.42 |
-- |
0.507 |
0.5125 |
-- |
|
|
ступени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
Длина рабочей лопатки |
м |
0.49 |
0.185 |
0.50 |
0.53 |
-- |
0.108 |
0.20 |
-- |
|
|
1-й ступени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
Наружный диаметр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рабочего колеса |
м |
2.04 |
1.154 |
0.90 |
2.24 |
-- |
0.446 |
0.445 |
-- |
|
|
последней ступени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
Длина рабочей лопатки |
м |
0.18 |
0.08 |
0.15 |
0.155 |
-- |
0.0495 |
0.0825 |
-- |
|
|
последней ступени |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
Длина проточной части |
м |
3.1 |
3.15 |
4.65 |
6.489 |
-- |
1.74 |
2.00 |
-- |
|
12 |
Число ступеней |
|
8 |
13 |
14 |
13 |
-- |
11 |
11 |
-- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
15
|
|
|
πк |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Kу |
= |
|
|
|
G |
помп ≥ 1.20 |
−1.25 |
, |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
πк |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
G м |
|
|
|
а в точке моделирования справедливо соотношение
Gк T0*
P*0
|
|
|
|
T |
* |
|
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
|
|
G |
|
|
|
|
n |
|
|
n |
|
|
||
|
|
/ |
к |
0 |
|
|
= |
|
/ |
. |
||||
|
|
|
P* |
|
|
|
|
* |
|
|
* |
|
|
|
|
н |
|
|
0 |
|
|
м |
|
T0 |
|
|
T0 |
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|||
Расчет компрессора методом моделирования рекомендуем производить в последовательности, изложенной в работе [3].
Из приведенного в приложении набора универсальных характеристик модельных компрессоров ("прототипов") выбирают такую характеристику, которая обеспечивает требуемую заданием степень повышения давления
πкм* при значениях КПД ηк* ад м ≥ ηк* ад н и коэффициента запаса устой-
чивости Кум=Кун (указанные значения πкн* и ηк* адн берутся из части 1
данной курсовой работы).
На универсальной характеристике выбранного модельного компрессора проводят горизонтальную прямую πкн* = πкм* (см. на рис.П5 характеристику КВД ГТУ-42), на которой отмечают отрезок АВ, располагающий-
ся в области ηк* ад м ≥ ηк* ад н.
Положение точки "М" на этом отрезке, в котором массовый расход и частота вращения ротора компрессора одновременно равны заданным соответствующим величинам, определяют построение графика зависимости
|
|
T |
* |
|
|
|
2 |
|
|
T |
* |
|
G |
|
|
|
n |
|
G |
|
|
||||
|
к |
0 |
|
|
|
= f |
к |
0 |
|
|||
|
P* |
|
|
* |
|
|
P* |
|
|
|||
|
|
0 |
|
|
|
T0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
м |
|
|
|
|
м |
(см. рис. 2.1), точка пересечения которого с прямой
|
|
* |
|
|
|
|
2 |
|
|
* |
|
|
|
|
2 |
G T |
|
|
|
|
n |
|
G T |
|
|
|
|
n |
|
||
|
к 0 |
|
|
|
|
= |
0 |
|
|
|
|
||||
|
P* |
|
|
|
|
* |
|
|
P* |
|
|
|
|
* |
|
|
0 |
|
|
м |
|
T0 |
|
|
0 |
|
|
н |
|
T0 |
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|
н |
||
16
Рис. 2.1 – Определение положения точки моделирования “M”
будет искомой точкой моделирования "М" со значением обобщенного па-
|
|
G |
|
T |
* |
|
|
раметра расхода |
|
к |
0 |
|
|
||
|
|
|
. |
||||
|
|
|
P * |
|
|
|
(м) |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
Величины массового расхода Gкн, абсолютной температуры Т0* н и
абсолютного давления на входе в компрессор принимают из части 1 курсовой работы.
Из условия подобия определяют масштаб моделирования i по фор-
муле
|
|
T * |
i = |
G |
|
|
к 0 |
|
|
|
P* |
|
|
0 |
|
|
T * |
|
G |
|
|
/ |
к 0 |
|
|
P* |
н |
|
0 |
⎟.
(м)
17
Если при требуемых π*кн и η*к ад н не удается одновременно обеспечить заданные расход воздуха Gкн и частоту вращения ротора компрес-
сора nн, то применяется способ, базирующийся на использовании в качестве основы проточной части натурного компрессора, спроектированного указанным выше методом полного моделирования с добавлением к нему одной или нескольких (2…3) предвключенных ступеней.
При этом должен быть не только обеспечен требуемый массовый рас-
ход через проектируемый компрессор Gкн, но и сохранен выбранный ранее режим моделирования с учетом изменения абсолютных параметров воздуха на входе в основной ("модельный") компрессорный отсек. Это приводит к необходимости введения для последнего нового значения масштаба мо-
делирования i′, подсчитываемого по формуле:
|
|
m −1 |
|
|
|
|
m +1 |
|
|
|
n |
|
3m −1 |
||||
|
Gкн |
|
|
(м) |
|
|
|
|
i ′= |
m +1 |
|
|
|
, |
|||
|
n |
|||||||
G |
|
|
|
|
|
|||
|
к(м) |
|
|
н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где m=3.5 ηк пол /(3.5 ηк пол – 1);
ηк пол - политропический КПД компрессора, значение которого принимают в пределах 0.88…0.92 в обратной зависимости от
π*кн.
Массовый расход модельного компрессора в точке моделирования определяют из выражения:
G |
T* |
|
где |
к |
0 |
|
Р* |
|
|
|
0 |
(м)
|
* |
|
|
|
|
|
|
T* |
|
|
|
|
G T* |
|
G |
|
|
||||
Gк(м) = |
Р0 |
|
|
к 0 |
|
|
к |
0 |
|
, |
|
T* |
|
|
P* |
|
|
|
P* |
|
|
|
0 p |
0 |
|
(м) |
|
0 |
р |
|
||
- относительная величина обобщающего параметра для
модельного компрессора в точке "М", снятая с его универсальной характеристики ;
|
|
T* |
|
|
G |
|
- значение обобщающего параметра для модельного |
||
|
к |
0 |
|
|
|
Р* |
|
|
|
|
|
0 |
р |
|
компрессора в расчетной точке (см. табл. 2.1).
18
Требуемую для определения расчетного значения массового расхода
Gкн степень повышения давления предвключенной группы ступеней (отсека), подсчитывают по формуле:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2m |
|
|
* |
|
Gкн |
|
1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
m +1 |
. |
||||||
π1 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
i′2 |
|||||||||
|
|
Gк(м) |
|
|
|
||||||
Заданную частоту вращения ротора компрессора проверяют по соот- |
|||||||||||
ношению: |
|
|
|
m −1 |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nн = π* 2m |
|
n(м) |
. |
|
|
||||
1 |
|
|
i′ |
|
Суммарная степень повышения давления проектируемого компрессо- |
||||
ра |
|
|
|
|
π* / = π* |
π* , |
|||
кн |
1 |
2 |
|
|
где π*2 = πк*(м) следует определять, |
исключив потери во всасывающем |
|||
(входном) патрубке компрессора, если универсальная характеристика прототипа ("модели") построена по результатам замеров по патрубкам.
Если полученное значение πкн* / превышает задание, то следует снять
соответствующее количество ступеней в конце проточной части модельного компрессора исходя из допущения, что степень повышения давления одной ступени составляет 1.15…1.20 .
Если величина πкн* / вышения давления πкн* , то следует надстроить основной ("модельный")
отсек концевой группой ступеней с π3* = πкн* / πкн* / .
Желательно, чтобы при этом соблюдалось условие π3* ≤ 1.5 , что соот-
ветствует примерно 2…3 дополнительным концевым ступеням. В противном случае следует подобрать другой более подходящий модельный компрессор.
Габаритные размеры отсека натурного компрессора, полученного методом полного моделирования, находят путем умножения соответствующих размеров выбранного модельного компрессора на масштаб моделирования i/.
19
Наружный диаметр рабочего колеса 1-й предвключенной ступени компрессора приближенно рассчитывают по формуле:
D |
|
= 2.9 3 |
G RT* |
, |
|||
рнI |
|
кн |
0 |
||||
|
(1 |
− |
|
2)P*n |
ϕ |
||
|
|
d |
|||||
|
|
|
0 |
н |
I |
||
где d = Dрв/ Dрн- отношение диаметра втулки рабочего колеса и его
наружному диаметру (втулочное отношение), которое в расчетах принимается равным 0.45…0.50;
ϕI - коэффициент расхода 1 ступени, который берут в
пределах 0.46…0.48 в обратной зависимости от Gкн; R - газовая постоянная для воздуха.
Число ступеней предвключенной группы ступеней приближенно оценивают по следующей формуле:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zпр = |
Нпр |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
hср.пр |
|
|
|
|
|
|
|
|
к−1 |
|
|
|
|
|
где Н = |
к |
|
|
RT* |
π* к |
−1 |
- изоэнтропический напор, создаваемый |
|||||
|
|
|
||||||||||
пр |
к −1 |
|
0 |
|
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
предвключенной группой ступеней; |
||
h |
|
|
|
|
|
|
U2 |
|
|
|||
= (К |
Ψ |
Ψ |
ср |
|
) / 2 |
- средний напор, создаваемый одной |
||||||
ср.пр |
|
|
рнI |
|
ступенью предвключенной группы; |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Ψср |
- средний коэффициент напора ступени, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
который принимают в расчетах равным |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.4…0.5; |
||
КΨ
UрнI
- коэффициент взаимного влияния ступеней, который полагают равным 0.94…1.0 в обратной зависимости от числа ступеней Z (от 1 до 3);
-средняя окружная скорость на периферии рабочих лопаток предвключенной группы ступеней.
20
Суммарный КПД такой комбинированной проточной части
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к−1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
η* |
η* |
|
|
π* / |
|
|
−1 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
к |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
кад1 кад2 |
|
кн |
|
|
|
|
|
|
|
||
η* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
к−1 |
|
|
|
|
m−1 |
|
к−1 |
|
|||||
кад |
η* |
π* |
+η* |
|
π* |
|||||||||||
|
|
к |
−1 |
π* |
m |
|
к |
−1 |
||||||||
|
|
кад2 |
|
1 |
|
|
кад1 |
1 |
|
|
|
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Часть 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА СТУПЕНЕЙ И ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
Исходными для проектирования проточной части газовой турбины являются следующие параметры:
-массовый расход газа (продуктов сгорания) через турбину Gг;
-удельная работа, развиваемая турбиной, Нт, которую в зависимости от выбранной конструктивной схемы ГТУ принимают по данным расчета параметров цикла ГТУ (часть 1);
-давление Р*0 и температура Т*0 в заторможенном потоке перед турбиной;
-давление в заторможенном потоке за турбиной Р*2т . Значение этого параметра берут из расчета цикла газотурбинной установки;
-частота вращения ротора турбины n. Величину n в зависимости от конструктивной схемы ГТУ либо задают согласно условиям работы полезной нагрузки, либо принимают по данным расчета осевого компрессора (часть 2).
Число ступеней газовой турбины определяют в следующей последовательности.
Находят предельно допустимую по условиям прочности и экономичности удельную работу, развиваемую одиночной турбинной ступенью, по формуле:
hст = hu U2ср ηр.з.