Тепловой расчет цикла газотурбинной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский институт машиностроения

Кафедра турбиностроения и средств автоматики

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

Паротурбинные и газотурбинные установки

Выполнил: студент гр. 4103

Принял: Вохмянин С.М.

Санкт-Петербург 2009 г

Курсовая работа состоит из следующих 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 по среднему диаметру



Исходные данные

Назначение газотурбинной установки - пиковая

Температура наружного воздуха.

Давление наружного воздуха

Температура газа перед турбиной

Степень регенерации

Низшая теплотворная способность топлива

Адиабатный КПД проточной части компрессора

Тепловой КПД блока камер сгорания

Адиабатный КПД проточной части турбины

Механический КПД ГТУ

Удельный расход воздуха на утечки через лабиринтные уплотнения

Степени повышения давления воздуха в компрессоре

Частота вращения силового вала турбины

Расход воздуха через компрессор - G_К=310 кг/сек



Часть 1. Расчет и оптимизация цикла газотурбинной установки

№	Наименование величины	Обозна-чение	Размерность	Расчетная формула	Степень повышения давления
1	УД энтальпия нар воздуха			По данным из табл. В.1	315,1898
2	ТД функция			По данным из табл. В.1	1,6466
3	Полное давление воздуха				1,0837
4	Полное давление воздуха				6,5025	7,5862	8,67
5	ТД функция				9,8797	11,5264	13,173
6	УД энтальпия конца процесса			По данным из табл. В.1	526,6235	550,0922	571,213
7	Удельная работа				251,7068	279,6457	304,7895
8	УД энтальпия за компрессором				566,8966	594,8355	619,9793
9	Температура за компрессором			По данным из табл. В.1	561,8274	588,5581	612,489
10	Мощность, потребляемая компрессором				78,029	86,69	94,48
1	Полное давление перед Г.Т.				6,1635	7,1907	8,218
2	Уд расход топлива в камере сгорания				0,0131	0,0133	0,0136
1	Расход газа через Пр.часть Г.Т.				306,3372	306,395	306,4773
2				Принимаем	0,0254
3				Принимаем	0,9873
4	Доля охлаждающего воздуха			Принимаем	0,5762
5	Полное давление газа за Г.Т.				1,1385
6	ТД функция				5,4137	6,316	7,2182
7	ТД функция				49,693	42,594	37,2698
8	ТД функция			По данным из табл. В.1	269,0221
9	УД энтальпия			По данным из табл. В.1	827,1368	797,691	764,0805
10	Удельная работа, развиваемая Г.Т.				438,35	465,387	496,2476
11	Мощность, развиваемая Г.Т.				134,28	142,592	152,088
12	Удельная энтальпия газа				866,194	839,157	808,2964
13	Температура газа за Г.Т.			По данным из табл. В.2	826,79	802,88	775,437
14	Расход воздуха через компрессор				310	310	310
15	Массовый расход топлива в ГТУ				3,9742	4,0316	4,1143
16	Удельный расход топлива				0,0001	0,0001	0,0001
17	Эффективный КПД ГТУ				0,3135	0,306	0,3084
18	Удельная полезная мощность				172,8	175,6	176,01

5.0	166,8	0.305
6.0	172,8	0.307
7.0	175,61	0.306
8.0	176,01	0.302
9.0	174,58	0.296
10.0	172,16	0.29
11.0	169,22	0.282
12.0	165,49	0.275
13.0	161,51	0.267
14.0	157,21	0.259
15.0	152,69	0.25
16.0	147,85	0.242
17.0	143	0.233
18.0	138,13	0.225
19.0	133,26	0.217
20.0	128,37	0.208
21.0	123,41	0.2
22.0	118,32	0.192
23.0	113,37	0.184
24.0	108,39	0.176
25.0	103,45	0.168
26.0	98,52	0.16
27.0	93,45	0.151
28.0	88,56	0.143
29.0	83,66	0.136

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

В качестве модельного компрессора выбираем компрессор КВД ГТ-100.

Исходные данные модельного компрессора:

Массовый расход,

Степень повышения давления

Частота вращения вала .

Адиабатический КПД,

Температура на входе,

Давление на входе,

Наружный диаметр рабочего колеса 1 ступени,

Длина рабочей лопатки первой ступени

Наружный диаметр рабочего колеса посл. ступени,

Длина проточной части,

Число ступеней,

Исходные данные натурного компрессора:

Массовый расход,

Степень повышения давления

Частота вращения вала, .

Температура на входе,

Давление на входе, .

Cпроектированная по методу проточная часть натурного компрессора представляет собой в выбранном масштабе проточную часть прототипа, имеющие тождественные с ней характеристики, построенные в параметрах подобия.

Масштаб моделирования

(1)

(2)

-политропический КПД компрессора, значение которого принимают в пределах 0,86…0,92 .

Принимаем

Выбранная точка моделирования содержит следующее:

;

- относительная величина обобщающего параметра для модельного компрессора в точке «М», снятая с его универсальной характеристики

-значение обобщающего параметра для модельного компрессора в расчетной точке (значения представлены в исходных данных модельного компрессора)

- определяется по значениям в исходных данных для модельного компрессора

Требуемую для определения расчетного значения массового расхода степень повышения давления, предвключенной группы ступеней подсчитывают по формуле:

Заданная частота вращения ротора компрессора проверяется по следующему соотношению:

Суммарная степень повышения давления проектируемого компрессора:



При этом соблюдается условие , что соответствует 2…3 дополнительным концевым ступеням.

Наружный диаметр рабочего колеса 1 -ой предвключенной ступени компрессора приближенно рассчитывают по формуле:

где - отношение диаметра втулки рабочего колеса и его наружному диаметру (втулочное отношение)

-коэффициент расхода 1 ступени , который берут в пределах 0,46….0,48 . В нашем случае принимаем 0,46

-газовая постоянная, равная .

Число ступеней предвключенной группы:

цикл газотурбинный установка компрессор

-изоэнтропический напор, создаваемый предвключенной группой ступеней:

-средний коэффициент напора ступени, который принимают в расчетах равным 0,4…0,5

-коэффициент взаимного влияния ступеней, который принимают равным 0,94….1,0 .

-средняя окружная скорость на перефирии рабочих лопаток предвключенной группы ступеней.

Суммарный КПД такой комбинированной проточной части:

Вывод:

В части 2 создан компрессор для ГТУ, базируясь на других известных компрессорах (в данном случае компрессор ГВД ГТ-100)

Часть 3. Определение числа ступеней и основных геометрических размеров проточной части газовой турбины

Исходные параметры для проектирования проточной части газовой турбины:

- массовый расход газа через турбину

- удельная работа, развиваемая турбиной

- температура в заторможенном потоке перед турбиной

- давление в заторможенном потоке перед турбиной

- давление в заторможенном потоке за турбиной

- частота вращения ротора турбины

Определение числа ступеней:

Удельная работа, развиваемая одиночной турбинной ступенью

коэффициент нагрузки ступеней

-средняя окружная скорость турбинной ступени

-коэффициент, учитывающий влияние радиального зазора между лопатками

Число ступеней турбины

Распределение удельной работы, развиваемое каждой ступенью

Определение основных размеров последней ступени с учетом выходного диффузора:

Энтальпия газа на выходе из диффузора:



-полная энтальпия газа на выходе из турбины

-скорость потока на выходе из диффузора

Статическое давление газа на выходе из диффузора:

- значение термодинамической функции для заторможенного потока на выходе из диффузора

Энтальпия потока на выходе из диффузора для процесса сжатия, (в нем по обратимой адиабате)

Изоэнтропический теплоперепад в диффузоре:

Скорость выхода потока из последней ступени турбины:

- осевая составляющая скорости

угол выхода из последней ступени турбины

- КПД диффузора



Статическое давление поток газа на выходе из последней ступени:

Площадь кольцевого сечения на выходе из последней ступени:

Удельный объем газа на выходе из последней ступени:

Скорость потока газа при изоэнтропическом расширении



0,48	276,0779	1,4646	0,4981	0.15	0,9665	1,9628	0,5	0,53	1,4268
0,5	287,5811	1,5257	0,4782	0.20	1,0475	2,0039	0,5	0,554	1,623
0,52	299,0844	1,5867	0,4598	0.25	1,1269	2,0465	0,5	0,588	1,7835
0,54	310,5876	1,6477	0,4428	0.30	1,2049	2,0905	0,5	0,621	1,9529
0,56	322,0909	1,7087	0,427	0.35	1,2818	2,1357	0,5	0,645	2,1268

Напряжения растяжения в корневом сечении лопатки

- плотность материала рабочей лопатки

угловая скорость вращения ротора

- коэффициент разгрузки лопатки переменного сечения

Втулочное отношение



Допустимое напряжение в корневом сечении рабочей лопатки

-коэффициент запаса прочности по растяжению

- предел длительной прочности материала лопатки

Определение длины сопловой лопатки первой ступени:

Длина сопловой лопатки

Скорость потока газа на выходе из сопел первой ступени

коэффициент скорости для сопловых лопаток

степень реактивности на среднем диаметре

угол выхода потока из сопловых лопаток на среднем диаметре

теплоперепад принятый на первую ступень

- теплоперепад, соответствующий скорости входа потока в сопловой аппарат первой ступени

Удельный объем газа на выходе из соплового аппарата первой ступени



Энтальпия на выходе из соплового аппарата первой ступени

Давление газа за сопловыми лопатками первой ступени

Приближенное раскрытие угла проточной части

Часть 4. Тепловой расчет проточной части по среднему диаметру

3 - Число ступеней

306.4773 - G_газа, кг/с

1200 - T_газа, К

8.218 - P_газа, бар

60 - n, об/с

1-я ступень

196.5322 - Hs, кДж/кг

1.59 - D1, м

0.195 - L1, м

4.452 - G_возд, кг/с

612.489 - Т_возд, К

508.39 - С_возд, м/с

22.96 - угол возд,град

1.59 - D2, м

0.199 - L2, м

1.71 - G возд, кг/с

612.489 - Т возд, К

2-я ступень

161.6968 - Hs, кДж/кг

1.59 - D1, м

0.34 - L1, м

0.303 - G_возд, кг/с

612.489 - Т_возд, К

526.878 - С_возд, м/с

21.11 - угол возд,град

1.59 - D2, м

0.344 - L2, м

0 - G возд, кг/с

0 - Т возд, К

3-я ступень

177 - Hs, кДж/кг

1.59 - D1, м

0.46 - L1, м

0 - G_возд, кг/с

0 - Т_возд, К

0 - С_возд, м/с

0 - угол возд,град

1.59 - D2, м

0.464 - L2, м

0 - G возд, кг/с

0 - Т возд, К

1- ступень

HS= .19653E+03 Ro= .26873E+00

Сопловой венец:

T0*= .12000E+04 P0*= .82180E+01 I0*= .13045E+04

D1= .15900E+01 L1= .19500E+00

G_gas_1= .30648E+03 G_air_1= .44520E+01

T_air_1_in= .61249E+03 T_air_1_Out= .97090E+03 T1_gas = .10922E+04

T1= .10901E+04 P1= .53520E+01 V1= .58523E+00

C1_gas= .50882E+03 C_air= .50839E+03

C1= .50881E+03 U1= .29971E+03 W1= .26056E+03

Alfa1_gas= .22962E+02 Alfa_air_1= .22960E+02

Alfa1= .22962E+02 Beta1= .49624E+02

T1*= .11185E+04 P1*= .59562E+01 I1*= .12065E+04

Рабочий венец:

D2= .15900E+01 L2= .19900E+00

G_gas_2= .31093E+03 G_air_2= .17100E+01

T_air_2_in= .61249E+03 T_air_2_Out= .10428E+04 T2_gas= .10548E+04

T2= .10547E+04 P2= .45450E+01 V2= .71467E+00

C2= .22439E+03 U2= .29971E+03 W2= .38965E+03

Alfa2= .85030E+02 Beta2= .35009E+02

T2*= .10759E+04 P2*= .49358E+01 I2*= .11556E+04

KPD= .77696E+00



2 - ступень

HS= .16170E+03 Ro= .41285E+00

Сопловой венец:

T0*= .10759E+04 P0*= .49358E+01 I0*= .11556E+04

D1= .15900E+01 L1= .34000E+00

G_gas_1= .31264E+03 G_air_1= .30300E+00

T_air_1_in= .61249E+03 T_air_1_Out= .41613E+04 T1_gas= .98498E+03

T1= .98981E+03 P1= .33254E+01 V1= .85524E+00

C1_gas= .46302E+03 C_air= .52688E+03

C1= .46308E+03 U1= .29971E+03 W1= .21288E+03

Alfa1_gas= .21110E+02 Alfa_air_1= .21110E+02

Alfa1= .21110E+02 Beta1= .51578E+02

T1*= .10091E+04 P1*= .35983E+01 I1*= .10768E+04

Рабочий венец:

D2= .15900E+01 L2= .34400E+00

G_gas_2= .31294E+03 G_air_2= .00000E+00

T_air_2_in= .00000E+00 T_air_2_Out= .00000E+00 T2_gas= .93853E+03

T2= .93853E+03 P2= .26358E+01 V2= .10840E+01

C2= .20494E+03 U2= .29971E+03 W2= .40596E+03

Alfa2= .74426E+02 Beta2= .29096E+02

T2*= .95661E+03 P2*= .28342E+01 I2*= .10153E+04

KPD= .80131E+00

3 - ступень



HS= .17700E+03 Ro= .52017E+00

Сопловой венец:

T0*= .95661E+03 P0*= .28342E+01 I0*= .10153E+04

D1= .15900E+01 L1= .46000E+00

G_gas_1= .31294E+03 G_air_1= .00000E+00

T_air_1_in= .00000E+00 T_air_1_Out= .00000E+00 T1_gas= .87025E+03

T1= .87025E+03 P1= .18898E+01 V1= .13232E+01

C1_gas= .44646E+03 C_air= .00000E+00

C1= .44646E+03 U1= .29971E+03 W1= .21650E+03

Alfa1_gas= .25132E+02 Alfa_air_1= .00000E+00

Alfa1= .25132E+02 Beta1= .61143E+02

T1*= .89068E+03 P1*= .20727E+01 I1*= .93911E+03

Рабочий венец:

D2= .15900E+01 L2= .46400E+00

G_gas_2= .31294E+03 G_air_2= .00000E+00

T_air_2_in= .00000E+00 T_air_2_Out= .00000E+00 T2_gas= .79712E+03

T2= .79712E+03 P2= .12833E+01 V2= .18643E+01

C2= .26632E+03 U2= .29971E+03 W2= .46140E+03

Alfa2= .70938E+02 Beta2= .33063E+02

T2*= .82850E+03 P2*= .14938E+01 I2*= .86813E+03

KPD= .74352E+00



Заключение:

В данной курсовой работе произведен тепловой расчет цикла газотурбинной установки и выбор ее оптимальных параметров. Курсовая работа, состоящая из четырех частей, включает в себя следующие расчеты. В первой части произведен расчет цикла и его оптимизация, т.е. выбраны оптимальные значения р_к и КПД установки. Вторая часть включает выбор осевого компрессора путем метода полного моделирования с установкой предвключенных ступеней. В третьей части произведено определение основных геометрических размеров турбины, из которой были определены длины сопловых и рабочих лопаток проточной части газовой турбины. В четвертой части выполнен тепловой проточной части турбины по среднему диаметру.

Размещено на Allbest.ru