_{МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ}

ОДЕССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ МОРСКОЙ УНИВЕРСИТЕТ

кафедра

«Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация»

Расчет

Главного судового газотурбинного двигателя

Методические указания

для выполнения курсовых и дипломных проектов

Специальности :

^{7.100302 «Эксплуатация судовых энергетических установок»}

7.090509 «Судовые энергетические установки и оборудование»

_{Одесса - 2007}

Методические указания подготовлены кандидатом технических наук Ланцевым Александром Сергеевичем доцентом кафедры «Судовые энергетические установки и техническая эксплуатация» Одесского национального морского университета в соответствии с учебным планом.

Методические указания одобрены кафедрой СЭУ и ТЭ ОНМУ от 20.06.2007 г. (протокол № 20).

Общие положения

Стремление сочетать достоинства установок различных типов стимулировало создание комбинированных энергетических установок, из которых применение на морском флоте находят газопаротурбинные установки (ГПТУ), где основным двигателем является газотурбинный двига­тель (ПТУ), а паровая часть формируется как приставка для утилизации теплоты выпускных газов ГТД. В ГПТУ утилизационная турбина, как правило, работает через общий с ГТД редуктор на винт.

Чаще всего применяются ГТД авиационного типа без регенера­тора и воздухоохладителя, что позволяет осуществлять прямоточ­ную схему движения рабочего тела, т.е. уменьшить гидравлические сопротивления и этим повысить КПД ГТД.

В ГТД такого типа оптимальная по КПД общая степень повышения давления выше, чем в схемах с регенерацией и достигает вели­чины от 12 и выше. Осуществление такой высокой степени повышения давления в проточной части одного компрессора затрудняет его проектирование и ухудшает его эксплуатационные характеристики, т.к. при уменьшении нагрузки первые его ступени быстро попадают в зону неустойчивой работы (помпажа). Поэтому в судовых ГТД авиационного типа применяют, как правило, два компрессора, вклю­ченных последовательно.

Такая комбинированная ГПТУ установлена на серии отечествен­ных судов типа "Капитан Смирнов", схема ГТД которой приведена на рис.1. Этот ГТД прямоточного типа, работающий по простому циклу конструктивно скомпонован по схеме "вал в валу". Газ из камеры сгорания (КС) поступает в ТВД, которая вращает КВД, а затем в ТСД, приводящую КНД. После ТСД газы поступают в ТНД, которая является силовой и работает через редуктор на гребной винт.

Цикл такого ГТД с тремя турбинами и двумя компрессорами при­веден на рис.2. Параметры рабочего вещества (давле­ния и температуры) в характерных точках схемы ГТД и его цикла (см. рис. 1 и 2) приведены в таблице 2.

I. Расчет цикла гтд

В таблицах 1 и 2 приведена последовательность расчета цикла ГТД с двумя компрессорами и тремя турбинами, из которых одна является силовой и работает на гребной винт (см. рис1).

Рис.1 Схема ГТД с двумя компрессорами и тремя турбинами (ТНД – силовая).

Рис.2 Цикл ГТД с двумя компрессорами и тремя турбинами (ТНД - силовая)

В результате расчета должны быть определены параметры рабо­чего вещества и его расход для каждого элемента ГТД и эффектив­ность цикла (КПД и удельный расход топлива). Полученные в резуль­тате расчета данные являются исходными для последующих тепловых расчетов турбин и компрессоров, входящих в состав ГТД.

Материалы расчетов должны быть оформлены в виде расчетно-пояснительной записки в соответствии с требованиями ГОСТ и ЕСКД . В расчетно-пояснительной записке должна быть приведена схема ус­тановки с указанием параметров рабочего тела по тракту его движе­ния

Таблица 1 Исходные данные для расчета

Величина		Обозначение	Размерность	Формула или способ определения	Численное значение величины
1		2	3	4	5
1	Мощность установки		кВт	Из расчета гребного винта или задана
2	Параметры атмосферного воздуха: Параметры атмосферного			Принимается.см. п.1 указаний, (в дальнейшем температура /а к (в дальнейшем слово "указа­ний" опускает­ся).
	-давление		МПа
	-температура		К
3	Внутренние КПД турбин			см.п.2 УК
	ТВД		–
	ТСД		–
	ТНД		–
4	Адиабатные КПД			см.п.3 УК
	компрессоров КНД		–
	КВД		–
5	Механические КПД			см.п.4 УК
	ТВД		–
	ТСД		–
	ТНД		–
	КВД		–
	КНД		–
6	КПД камеры сгорания			см.п.5 УК

1		2	3	4	5
7	КПД зубчатой передачи		–
8	КПД валопровода		–
9	Коэффициент затрат энергии на привод навешенных механизмов		–
10	Коэффициент учета потерь давления:			см.п.6 УК
	- на входе в компрессор КНД	вх	–
	- в камере сгорания	кс	–
	- между КНД и КВД	к	–
	- между последовательно расположенными турбинами	т	–
	- на выходе	вых	–
11	Газовые постоянные: - воздуха
	- продуктов сгорания
12	Марка топлива			Принимается, см.п.7 УК
13	Удельная теплота сгорания топлива			см.п.7 УК
14	Температура газов перед ТВД		К	см.п.8 УК

Таблица 2 Расчет цикла ГТД, двухкомпрессорного со свободной турбиной винта

Величина		Обозначение	Размерность	Формула или способ определения	Численное значение величины
1	Общая степень повышения давления		–	см.п.9 УК
2	Распределение общей степени повышения давления между компрессорами		– –
3	Давление перед КНД		МПа
4	Давление за КНД		МПа
5	Теплоемкость воздуха Принимается в процессе сжатия в КНД (проверка)
6	Показатель степени		–
7	Величина		–
8	Температура воздуха за КНД		К
9	Теплоёмкость воздуха в процессе сжатия в КНД (проверка)
10	Удельная работа сжатия КНД(удельная)	Нек1		=
11	Давление перед КВД		МПа
12	Давление за КВД		МПа
13	Теплоёмкость воздуха в процессе сжатия в КВД	Срв2		(принимается)
14	Показатель степени		–
15	Величина	к2	–
16	Температура воздуха за КВД		К
17	Теплоёмкость воздуха в процессе сжатия КВД (проверка)	Срв2
18	Средняя теплоёмкость воздуха в интервале температур 273 -	Срmв
19	Эффективная работа сжатия в КВД (удельная)	Нек2
20	Коэффициент избытка воздуха		–	3 – 4 принимается
21	Средняя теплоёмкость продуктов сгорания в интервале температур 273 -	Срmг
22	Коэффициент избытка воздуха (проверка)		–	, где ; см.п.11 УК t3=(T3-273)oC t’2=(T’2-273)oC
23	Коэффициент увеличения массы рабочего тела		–
24	Теплота, проведенная к рабочему телу в камере сгорания
25	Теплоемкость газа в процессе расширения в ТВД	Срг1		Принимается: Срг1=1,155
26	Показатель степени		–
27	Температура за ТВД	Т4	К
28	Теплоемкость газа в процессе расширения в ТВД (проверка)	Срг1		см.п. 11 УК
29	Величина		–
30	Степень понижения давления в ТВД
31	Давление перед ТВД		МПа
32	Давление за ТВД		МПа
33	Давление перед ТСД		МПа
34	Теплоемкость газа в процессе расширения в ТСД	Срг2		принимают Срг2=1,155
35	Показатель степени		–
36	Температура газа за ТСД
37	Теплоемкость газа в процессе расширения в ТСД (проверка)	Срг2		см.п.11 УК
38	Величина		–
39	Степень понижения давления в ТСД		–
40	Давления за ТСД		МПа
41	Давление перед ТНД		МПа
42	Давление за ТНД		МПа
43	Степень понижения давления в ТНД		–
44	Теплоемкость газа в процессе расширения в ТНД	Срг3		Срг3=1,155 (принимают)
45	Показатель степени		–
46	Величина		–
47	Температура за ТНД		К
48	Теплоемкость газа в процессе расширения в ТНД (проверка)
49	Эффективная работа газа в ТНД (удельная)
50	Эффективная работа в ГТД
51	Эффективный КПД ГТД		–
52	Удельный расход топлива
53	Удельный расход воздуха		кг/кДж
54	Расход воздуха		кг/с
55	Расход газа через ТВД		кг/с
56	Расход газа через ТСД и ТНД		кг/с
57	Расход топлива	B	кг/с

Указания

К выполнению расчёта цикла

1. Обычно температуры атмосферного воздуха принимают в пределах /2/ :

– для северных и средних широт Т_а = 288...293К;

– для южных Т_а = 298…303К;

2. Внутренние КПД ступеней турбины вычисляют по полным параметрам при входе ступень и по изоэнтропийному перепаду между полным давлением при входе в ступень и выходе из неё.

На первой стадии проектирования рекомендуется принимать внутренние КПД турбин в пределах /2/:

– для одноступенчатых турбин

= 0,85...0,87;

– для двухступенчатых турбин

= 0,87...0,89;

– для турбин с числом ступеней больше двух

= 0,89...0,92;

Число ступеней турбины оценивается по прототипу.

3. Для осевых компрессоров при степенях повышения давления не превышающих = 5 адиабатные КПД могут быть приняты в пределах

= 0,88...0,89/3/.

4. Величину механических КПД турбин и компрессоров принимают в зависимости от того на каких подшипниках врощается ротор:

= 0,97...0,98 (подшипники скольжения)

= 0,99...0,995 (подшипники качения).

5. КПД КС представляет собой отношение теплоты q₁ подведённой к рабочему телу при сжигании одного кг топлива, к удельной теплоте сгорания сжигаемого топлива ;

= q₁/ ;

Величина зависит от степени недожога топлива и потери теплоты в окружающую среду.

Можно принять КПД в пределах

6. Под коэффициентом учёта потерь давления понимается отношение давления воздуха (газа) в конце к давлению воздуха (газа) в начале рассматриваемого участка установки. В начальной стадии расчётов, когда эти коэффициенты ещё не известны, рекомендуются принимать следующие значения:

– на входе в компрессор = 0,98 – 0,99;

– в камере сгорания = 0,95 – 0,98;

– между КНД и КВД = 0,99 – 1,0;

– между последовательно расположенными турбинами

= 0,99 – 1,0;

– на выходе _вых = 0,95 – 0,98.

7. В ГТД применяются следующие сорта отечественного топлива :

;

;

;

.

8. При выборе начальной температуры газа перед ТВД следует руководствоваться общим уровнем развития металлургии жаропрочных сталей и сплавов к моменту выполнения проектных работ, а также назначенным ресурсом, обеспечивающимся намечаемыми методами охлаждения рабочих лопаток газовых турбин. В настоящее время начальная температура газа для судовых ГТД принимается в пределах Т₃ = 1000…1300К.

9. Общая степень повышения давления воздуха в цикле должна быть согласована в первую очередь с принципиальной схемой ГТУ. Для двухкомпрессорной схемы без регенерации . При выполнении дипломного проекта необходимо задаться общей степенью повышения давления (порядка 6-8 значений) со средним значением в районе рекомендованного диапазона и произвести расчёт для каждого значения . Для дальнейших расчётов принимается значение ( )_опт, при котором КПД цикла имеет максимальное значение. При курсовом проектировании расчёт цикла производят для одного выбранного или заданного значения .

10. Распределение общей степени повышения давления между компрессорами производят в соответствии с характеристиками компрессоров-прототипов. На начальной стадии проектирование не всегда можно подобрать в качестве прототипа подходящий компрессор, поэтому в первом приближении равномерно распределяет между компрессорами, то есть

.

11. Отличие полученных значений теплоёмкостей и коэффициента избытка воздуха от принятых не должно превышать 1%. В случае несоблюдения этого условия, необходимо задаться новым значением и повторить расчёт.