222

Паротурбинные и газотурбинные установки

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Расчет и оптимизация цикла газотурбинной установки. Выбор типа компрессора, определение его характеристик и основных размеров методом моделирования. Определение основных геометрических размеров турбины. Тепловой расчет проточной части по среднему диаметру.

Русский

2012-11-14

637.5 KB

49 чел.

Министерство образования РФ

Санкт-Петербургский институт Машиностроения

Факультет  турбостроения

Кафедра Турбостроения и средств автоматики

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине

«Паротурбинные и газотурбинные установки»

(раздел «Газотурбинные установки»)

                                                      Выполнил: студент гр. 4104

               Юрьев А.Ю.

     Принял: Вохмянин С.М.

Санкт-Петербург

2011г


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

Вариант № 15

Назначение газотурбинной устаноки - 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  .


ЧАСТЬ 1.

Расчет и оптимизация цикла газотурбинной установки

Наименование

величины

Обозна-чение

Размер-ность

Расчетная

формула

Степень повышения давления

КОМПРЕССОР

1

Давление воздуха перед компрессором

бар

0,9852

0,9852

0,9852

2

Давление воздуха за компрессором

бар

9,8520

10,8372

11,8224

3

Термодинамическая функция для сухого воздуха

10,9150

12,0065

13,0980

4

Удельная энтальпия воздуха в конце изоэнтропического процесса сжатия

По данным из табл. В.1

541,6664

556,4897

570,3061

5

Удельная работа, потребляемая компрессором

307,7822

325,2214

341,4760

6

Удельная энтальпия воздуха за компрессором

587,8337

605,2729

621,5275

7

Температура заторможенного потока воздуха за компрессором

К

По данным из табл. В.1

581,8750

598,5050

613,9583

8

Мощность, потребляемую компрессором

кВт

52117,4986

55213,8453

58299,7194

КАМЕРА СГОРАНИЯ

9

Полное давление перед газовой турбиной

бар

9,5650

10,5215

11,4781

10

Удельный расход топлива в камере сгорания

0,01985

0,01940

0,01899

11

Энтальпия заторможенного потока воздуха на выходе из регенератора

587,8337

605,2729

621,5275

ГАЗОВАЯ ТУРБИНА

12

Расход газа через проточную часть газовой турбины

164,4048

164,7818

165,6409

13

Давление газа за турбиной

бар

1,01

1,01

1,01

14

Степень расширения газа

в турбине

9,4703

10,4173

11,3644

15

Термодинамическая функция для сухих продуктов сгорания

34,9232

31,7485

29,1026

16

Удельная энтальпия

По данным из табл. В.2

750,5176

730,9276

713,4365

17

Удельная работа, развиваемая газовой турбиной

565,9686

583,6544

599,4452

18

Мощность, развиваемая газовой турбиной

кВт

93047,9545

96175,6226

99292,6424

19

Полная удельная энтальпия газа за турбиной

811,4554

793,7696

777,9788

20

Полезная мощность на валу ГТУ

кВт

39999,9764

40000,0211

39999,9966

21

Расход воздуха в компрессоре

кг/с

169,3324

169,7731

170,7286

22

Весовой расход топлива в ГТУ

3,2002

3,1358

3,0868

23

Удельный расход топлива, отнесенный к полезной мощности на валу ГТУ

0,00008001

0,00007839

0,00007717

24

Эффективный КПД ГТУ

0,2976

0,3037

0,3085

25

Удельная полезная мощность

236,2216

235,6087

234,2899

 

5.0

215,43

0,230

6.0

225,59

0,248

7.0

231,44

0,262

8.0

234,72

0,273

9.0

236,05

0,282

10.0

236,29

0,289

11.0

235,61

0,294

12.0

234,30

0,299

13.0

232,38

0,303

14.0

229,69

0,305

15.0

226,76

0,308

16.0

223,63

0,309

17.0

220,35

0,310

18.0

216,96

0,311

19.0

213,47

0,311

20.0

209,90

0,311

21.0

206,34

0,311

22.0

202,72

0,311

23.0

198,99

0,310

24.0

195,13

0,309

25.0

191,29

0,308

26.0

187,33

0,306

27.0

183,40

0,304

28.0

179,52

0,302

29.0

175,67

0,300


ЧАСТЬ 2.

Выбор типа компрессора, определение его характеристик и основных размеров

методом моделирования.

В качестве модельного компрессора выбираем компрессор ГТУ-200.

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 0,47

-газовая постоянная, равная 281,7  .

 Число ступеней предвключенной группы:

-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 ГТУ-200)


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

294,8347

1,5661

0,2830

0.15

1,2811

1,8472

0,5

0,53

0,78011

0,5

307,1195

1,6293

0,2717

0.20

1,3576

1,9010

0,5

0,554

0,88738

0,52

319,4042

1,6945

0,2612

0.25

1,4333

1,9557

0,5

0,588

0,97514

0,54

331,6890

1,7597

0,2516

0.30

1,5081

2,0112

0,5

0,621

1,0678

0,56

343,9738

1,8248

0,2426

0.35

1,5823

2,0674

0,5

0,645

1,1629

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

   

Проточная часть


Часть 4.

Тепловой расчет проточной части по среднему диаметру.

3     - Число ступеней

164.4048   - G_газа, кг/с

1260  - T_газа, К

9.565  - P_газа, бар

60    - n, об/с

====================== 1-я ступень

228.268   - Hs, кДж/кг

1.6945  - D1, м

0.0851  - L1, м

       3.471   - G_возд, кг/с

       581.875  - Т_возд, К

       494.219  - С_возд, м/с

       22.84   - угол возд,град

1.6945  - D2, м

0.0851 - L2, м

       1.536  - G возд, кг/с

      581.875  - Т возд, К  

====================== 2-я ступень

190.223   - Hs, кДж/кг

1.6945  - D1, м

0.173  - L1, м

       0.83   - G_возд, кг/с

       581.875  - Т_возд, К

       664.557  - С_возд, м/с

       18.556   - угол возд,град

1.6945  - D2, м

0.173 - L2, м

       0  - G возд, кг/с

      0  - Т возд, К  

======================3-я ступень

300   - Hs, кДж/кг

1.6945  - D1, м

0.2612  - L1, м

       0   - G_возд, кг/с

       0  - Т_возд, К

       0  - С_возд, м/с

       0   - угол возд,град

1.6945  - D2, м

0.2612 - L2, м

       0  - G возд, кг/с

      0  - Т возд, К  

===============  1 Ступень =============================================

HS= .22827E+03   Ro= .14302E+00

Сопловые лопатки:

   T0*= .12600E+04  P0*= .95650E+01   I0*= .13774E+04

   D1= .16945E+01    L1= .85100E-01

   G_gas_1= .16440E+03   G_air_1= .34710E+01

   T_air_1_in= .58188E+03   T_air_1_Out= .91753E+03   T1_gas= .11148E+04

   T1= .11098E+04   P1= .54526E+01    V1= .58483E+00

   C1_gas= .59223E+03   C_air= .49422E+03

   C1= .59020E+03   U1= .31941E+03    W1= .32077E+03

   Alfa1_gas= .22840E+02   Alfa_air_1= .22840E+02

   Alfa1= .22840E+02   Beta1= .45577E+02

   T1*= .11528E+04  P1*= .63888E+01   I1*= .12475E+04

 Рабочие лопатки:

   D2= .16945E+01    L2= .85100E-01

   G_gas_2= .16788E+03   G_air_2= .15360E+01

   T_air_2_in= .58188E+03  T_air_2_Out= .74177E+03  T2_gas= .10906E+04

   T2= .10868E+04   P2= .49416E+01    V2= .67949E+00

   C2= .25325E+03   U2= .31941E+03    W2= .38580E+03

   Alfa2= .96145E+02   Beta2= .40743E+02

   T2*= .11137E+04  P2*= .54682E+01   I2*= .12007E+04

   KPD= .76154E+00

===============  2 Ступень =============================================

HS= .19022E+03   Ro= .23408E+00

 Сопловые лопатки:

   T0*= .11137E+04  P0*= .54682E+01   I0*= .12007E+04

   D1= .16945E+01    L1= .17300E+00

   G_gas_1= .16941E+03   G_air_1= .83000E+00

   T_air_1_in= .58188E+03   T_air_1_Out= .16592E+04   T1_gas= .97967E+03

   T1= .98412E+03   P1= .30750E+01    V1= .91957E+00

   C1_gas= .56294E+03   C_air= .66456E+03

   C1= .56343E+03   U1= .31941E+03    W1= .27975E+03

   Alfa1_gas= .18556E+02   Alfa_air_1= .18556E+02

   Alfa1= .18556E+02   Beta1= .39862E+02

   T1*= .10175E+04  P1*= .35235E+01   I1*= .10866E+04

 Рабочие лопатки:

   D2= .16945E+01    L2= .17300E+00

   G_gas_2= .17024E+03   G_air_2= .00000E+00

   T_air_2_in= .00000E+00  T_air_2_Out= .00000E+00  T2_gas= .95156E+03

   T2= .95156E+03   P2= .26184E+01    V2= .11077E+01

   C2= .20536E+03   U2= .31941E+03    W2= .39267E+03

   Alfa2= .85629E+02   Beta2= .31431E+02

   T2*= .96967E+03  P2*= .28272E+01   I2*= .10306E+04

   KPD= .81499E+00

===============  3 Ступень =============================================

 HS= .30000E+03   Ro= .32030E+00

Сопловые лопатки:

   T0*= .96967E+03  P0*= .28272E+01   I0*= .10306E+04

   D1= .16945E+01    L1= .26120E+00

   G_gas_1= .17024E+03   G_air_1= .00000E+00

   T_air_1_in= .00000E+00   T_air_1_Out= .00000E+00   T1_gas= .78484E+03

   T1= .78484E+03   P1= .11467E+01    V1= .19666E+01

   C1_gas= .65067E+03   C_air= .00000E+00

   C1= .65067E+03   U1= .31941E+03    W1= .37678E+03

   Alfa1_gas= .22711E+02   Alfa_air_1= .00000E+00

   Alfa1= .22711E+02   Beta1= .41816E+02

   T1*= .84760E+03  P1*= .15525E+01   I1*= .88984E+03

 Рабочие лопатки:

   D2= .16945E+01    L2= .26120E+00

   G_gas_2= .17024E+03   G_air_2= .00000E+00

   T_air_2_in= .00000E+00  T_air_2_Out= .00000E+00  T2_gas= .71030E+03

   T2= .71030E+03   P2= .72970E+00    V2= .28976E+01

   C2= .37063E+03   U2= .31941E+03    W2= .55492E+03

   Alfa2= .73170E+02   Beta2= .39739E+02

   T2*= .77210E+03  P2*= .10086E+01   I2*= .80455E+03

   KPD= .70386E+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 πк и КПД установки. Вторая часть включает выбор осевого компрессора путем метода полного моделирования с установкой предвключенных ступеней. В третей 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 расчет проточной части турбины по среднему диаметру.   


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

58781. Уроки русского языка 1.42 MB
  Каждый раздел кроме правил заданий упражнений и текстов включает диалоги сквозных персонажей учебника. В разделе Состав слова внимание детей привлекается к структуре слова его устройству вводятся упражнения на словообразование.
58786. Социальный проект-программа «Уроки Трезвости» 499 KB
  Областная программа Уроки трезвости призвана дополнить воспитательно-профилактическую программу учебных заведений в сфере профилактики асоциальных явлений связанных с употреблением алкоголя табака и других наркотиков детьми и молодёжью.