ID: 222

Название работы: Паротурбинные и газотурбинные установки

Категория: Курсовая

Предметная область: Производство и промышленные технологии

Описание: 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.

Язык: Русский

Дата добавления: 2012-11-14

Размер файла: 637.5 KB

Работу скачали: 59 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.