37371

Стабилизация частоты вращения вала газовой турбины с помощью мехатронных систем

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Выбор и обоснование схемы привода стабилизации частоты вращения вала газовой турбиной Схема привода стабилизации частоты вращения вала газовой турбины с помощью баипаса. Системы управления газовых турбин должны сохранять управляемость во всем диапазоне тепловой мощности турбины.Типовая схема газовой турбинной группы Газ от источника проходит к ступени высокого давления паровой турбины через два главных паровых регулирующих клапана поз.

Русский

2013-09-24

2.24 MB

7 чел.

Введение

  В данном курсовом проекте рассматривается тема стабилизация частоты вращения вала газовой турбины с помощью мехатронных систем. Современный этап развития газотрубостроения характеризуется увеличением агрегатных мощностей, повышением начальных параметров пара и т.д.

  В практическом освоении высоких начальных параметров газа одной  из основных проблем, является наличие относительно дешевых материалов для деталей, работающих  при высоких температурах и давлении, что определяется уровнем развития металлургии в области жаропрочных сталей и их сплавов.  

Мехатроника — это новая область науки и техники, посвященная созданию и эксплуатации машин и систем с компьютерным управлением движением, которая базируется на знаниях в области механики, электроники и микропроцессорной техники, информатики и компьютерного управления движением машин и агрегатов".Мехатроника является научно-технической дисциплиной, которая изучает построение электромеханических систем нового поколения, обладающих принципиально новыми качествами и, часто, рекордными параметрами. При этом система в истинно мехатронном подходе. Мехатронный подход заключается в концепции мехатроники и принципах построения и организации мехатронных систем.

Рисунок.1. Газовая турбина

Некоторые исследователи видят главную суть мехатроники в объединении, прежде всего, механики и электроники, в отличие от электромеханики, появившейся в свое время на стыке механики и электротехники. Цель в Мехатронике - достижение наибольшей экономической, технической эффективности и конкурентоспособности создаваемых мехатронных устройств и систем."Мехатронный модуль - это функционально и конструктивно

самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу".

К элементам различной физической природы относят механические, электротехнические, электронные, цифровые, пневматические, гидравлические, информационные и т.д.  компоненты."Мехатронная система — совокупность нескольких мехатронных модулей и узлов, синергетически связанных между собой, для выполнения конкретной функциональной задачи".

   

1.Анализ вариантов схемных решений

1.1.Выбор и обоснование схемы привода стабилизации частоты вращения вала газовой турбиной

   Схема привода стабилизации частоты вращения вала газовой турбины с помощью баипаса.

Системы  управления газовых турбин должны сохранять

управляемость во всем диапазоне тепловой мощности турбины. Управление газовой турбиной происходит за счет изменения количества топлива, подаваемого в камеру сгорания газотурбинного двигателя (подобно насосу-инжектору в дизельном двигателе). Номинальные размеры газовых клапанов, величины давления и температуры газа, воздействию которых подвергаются компоненты гидравлического оборудования, значительно выше, чем у паровых турбин. В результате управляющие усилия должны быть намного выше, поэтому габариты и нагрузки пружин гидроприводов увеличиваются. Типовая схема газовой турбинной группы в комплекте с необходимыми паровыми клапанами показана на рис. 2.

Рисунок.2.Типовая схема газовой турбинной группы

Газ от «источника» проходит к ступени высокого давления паровой турбины через два главных паровых регулирующих клапана, поз. 1.1 и поз. 1.2. После

первого цикла расширения, газ поступает на ступень среднего давления газовой турбины, через отсечные клапаны поз. 2.1 и поз. 2.2. После ступени среднего давления газ проходит через ступень низкого давления к конденсатору и далее, в виде конденсата, возвращается в технологический процесс. Для сохранения управляемости частотой вращения технологическо на случай нештатных ситуаций и отказов предусмотрены байпасные линии высокого давления поз. 4, среднего давления поз. 5 и низкого давления поз.6.

Использование байпасных линий позволяет направлять подачу газа в обход турбины. Встроенные клапаны управления турбиной разрабатываются и изготавливаются производителем турбины. В зависимости от места установки клапана в системе рабочая температура может достигать 550 °C, а диапазон изменения давления –8-300 бар. Каждый клапанный блок включает

в себя отсечной клапан быстрого запирания и регулирующий клапан управления. Функции обеспечения безопасности и управления предусмотрены для каждого клапанного блока. К корпусу клапана крепятся

два гидропривода (Cм. рис. 3).

И

ТЕХНО

1.2Система управления частоты вращения турбины построенная на центробежном датчике.

      На рисунке5 показана принципиальная схема системы управления  скоростью вращения паровой турбины. Эта система состоит из центробежного датчика скорости и гидравлического сервомеханизма «золотник-поршень». Центробежный датчик создает механическое перемещение плунжера золотника, зависящее от скорости вращения турбины  Так как на выходе этого датчика сила и перемещение невелики, то чтобы по-                     лучить мощность, достаточную для управления клапаном регулирующим расход пара к турбине, его нужно усилить с помощью гидравлического сервомеханизма «золотник –поршень».

       Система управления работает таким образом, что плунжер клапана регулирующего расход пара, всегда занимает положение,  обеспечивающее расход, потребный для вращения турбины с заданной скоростью.

Рисунок.5.  Система управления частоты вращения турбины построенная на центробежном датчике

       

1.3Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с возможностью реверса турбины.

На рисунке 6  представлена система управления частоты вращения турбины построенная  на пропорциональной гидравлике с возможностью реверса турбины. С тахогенератора, установленного на валу турбины поступает сигнал на усилитель настроенный на определенный интервал частот вращения вала. После поступления сигнала на усилитель, усилитель подает сигнал на пропорциональные магниты распределителя.

 

Рисунок.6. Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с возможностью реверса турбины

       

1.4Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с управлением от усилителя «сопло –заслонка».

На рисунке 7 изображена принципиальная схема системы управления вращения паровой турбины. С тахогенератора,  установленного на валу  паровой турбины, поступает сигнал на усилитель, с усилителя сигнал поступает на пропорциональный магнит который, либо притягивает, либо отталкивает заслонку , с усилителя «сопло-заслонка» сигнал поступает на пропорциональный распределитель. Распределитель управляет гидроцилиндром одностороннего действия на котором закреплена дросселирующая расход заслонка на входе в турбину, тем самым обеспечивается постоянство частоты вращения вала.

Рисунок.7. Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике с управлением от усилителя «сопло –заслонка»

1.5Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике

На рисунке 8   изображена принципиальная схема управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике. С потенциометра подается постоянный сигнал, который мы принимаем за заданное значение вращения вала, на компаратор, который сравнивает заданное  значение вращения вала с текущим значением от тахометра, установленного на вал турбины. После компаратора сигнал поступает на задатчик,  после задатчика сигнал  поступает на усилитель, который управляет магнитом пропорционального распределителя, который в свою очередь управляет гидроцилиндром одностороннего действия, на котором закреплена  дросселирующая заслонка на входе в паровую турбину,  что позволяет   регулировать частоту вращения вала. Данное управление принимаем за базовую схему курсового проекта

Рис.8. Система управления частоты вращения турбины построенная на пропорциональной гидравлике

1.6 Описание выбранной системы, регулирования частоты вращения вала паровой турбины

На рис. 9 изображена конструктивная блок схема системы, регулирования частоты вращения вала паровой турбины.

Рисунок.9. Конструктивная блок схема системы, стабилизации частоты вращения вала паровой турбины

На компаратор подается два сигнала, заданное значение частоты вращения (подается с персонального компьютера  либо с потенциометра) и действительное значение частоты вала паровой турбины, который подается с тахогенератора, который в свою очередь связан с дросселирующей задвижкой  на входе в паровую турбину, которая регулируется, в нужном диапазоне, с помощью гидропривода , который управляется в свою очередь пропорциональной гидравликой , которая управляется пропорциональным магнитом, на который подается сигнал через усилитель с компаратора.

   Таким образом в системе имеется обратная связь, что приводит к улудшению работы системы в целом.

 

2.Динамический расчет привода системы, стабилизации частоты вращения вала    газовой турбины

2.1 Математическое представление компонентов  системы, стабилизации    частоты вращения вала газовой турбины при втягивании штока

В систему с гидроцилиндром с определенными параметрами изображенный  на рис.10  подается рабочая жидкость.

Рисунок.10. Принципиальная схема

Структурная схема рассматриваемой задачи представлена на рисунке

Рисунок.11. Структурная схема

  1.  Питание
  2.  Дроссель не регулируемый
  3.  Гидравлический тройник
  4.  Емкость с переменным объемом
  5.  Гидроцилиндр
  6.  Механический тройник
  7.  Масса
  8.  Пара трения
  9.  Пружина
  10.   Заземление

Математическое описание элементов схемы

Р11= Р (t)

Q11= Q (t)

P21= Р11

Q21= Q11

Q22= μƒ   * P11-P41

Q31=Q22

Q32=Q31-Q33

Q41=Q32

= (E/V0+V52 )*Q41=P41
F52=( (π*D2)/4-(π*d2)/4)*P41

Q33= υ52*( (π*D2)/4-(π*d2)/4)

=F/m71 = υ52  ∫ h52

h52=h63

h91=h63

F8=b*(υ 81 82)

F9=C*(h91-h92)

F= F5-F9-F8

Рисунок.12. Математическая модель  схемы

 

Рисунок.13 . График давления возникающий в полости цилиндра

Крутизна графика давления обуславливается тем, что для того чтобы в полости было постоянно растущее давление , давление в штоковой  должно преодолеть сначала силу трения, а также усилие пружины.

Рисунок.14 . График перемещения штока гидроцилиндра

Начальная площадка на графике перемещения обуславливается тем ,что для начала перемещения цилиндр должен преодолеть силу страгивания, а так же

силу пружины , которая зависит от ее упругости.

 

Рисунок.15. График расхода в гидроцилиндре

Понижение расхода на графике обуславливается тем, что полость гидроцилиндра не бесконечна.  

Рисунок.16. График скорости штока гидроцилиндра

График скорости штока цилиндра, как и должно, быть обратнопропорционален  графику расхода.

3. Проектирование гидропривода системы стабилизации частоты вращения вала газовой турбины

3.1.  Расчет гидроцилиндра

Рис17. Конструктивная схема гидроцилиндра

Для определения диаметра штока произведем расчет на деформацию:

, где Δl = 0,0003 м – принятая допустимая деформация штока;

 N = 15 кН – нагрузка на шток;

 Е = 2,2*10 МПа – модуль упругости;

 l = 0,3 м – принятая длина штока;

 F = Π*d2/4 – площадь поперечного сечения штока.

Отсюда определим диаметр штока:

Принимаем диаметр штока d = 12 мм согласно ГОСТ 6540-68.

Внутренний диаметр цилиндра примем D = 50 мм по ГОСТ 6540-68.

Рассчитаем рабочее давление по формулам:

Отсюда:      

Принимаем давление равное 4МПа

Определим толщину стенки

В качестве материала гильзы гидроцилиндра выбираем Сталь 45

ГОСТ 50-20 σдоп= 240 МПа.

Согласно третей и четвертой теориям прочности:

где S – толщина стенки цилиндра; D – внутренний диметр цилиндра; σ – допустимое напряжение; р  - рабочее давление.

Принимаем S = 8 мм.

3.2. Определение расходов потребляемых цилиндром

Работа гидроцилиндра осуществляется при втягивании штока.

Расход при втягивании

,

Рабочие площади гидроцилиндра:

Произведем расчет потребной  скорости:

Рассчитываем силу

4. Выбор аппаратуры гидропривода системы стабилизации частоты вращения вала газовой турбины

4.1.Выбор насоса

Так как в системе требуется быстродействие, то выбор насоса осуществляем по  расходу:

Выбираем пластинчатый насос фирмы Ponar wadowice 

VANE PUMP TYPE V3/12

  •  Рабочий объем   
  •  Давление на выходе
  •  Частота вращения вала
  •  Рабочая подача

4.2. Выбор распределительного клапана

В гидроприводе стабилизации частоты вращения вала газовой турбины используется пропорциональный

4/2 – распределитель с электромагнитным управлением.

Выбираем пропорциональный распределитель фирмы Rexroth

 DLHZO-TES-PS-04-0-L *

 Так как в данном приводе используется разные уровни расхода, то необходимо определить уровень управляющего сигнала для каждого из них. Уровень входного сигнала определяется по графику зависимости расхода от входного сигнала .  

4.3.Выбор рабочей жидкости

В гидравлическом приводе стабилизации частоты вращения вала газовой турбины, используется пропорциональный распределительный клапан, что позволяет производить установку разных расходов,  но требует высокого качества рабочей жидкости. Исходя из приведенных выше данных, в качестве рабочей жидкости выбираем минеральное масло ISO (VG46) .

4.4. Выбор фильтров

В качестве фильтра предварительной очистки, устанавливаемого на всасывающей линии, выбираем фильтр фирмы Rexroth ABZFR-S0050-10-1X/M-A визуальным индикатором загрязнения ABZFV-RV2-1X/M-A.

На выходе из насоса установим фильтр ABZFD-S0040-10 420-1X/M-A.
5. Гидравлический расчет

Задача расчета – определение диаметров трубопроводов и потер давления, которые возникают в процессе работы привода.

Рассчет ведется для участков, которые имеют одинаковый расход.

Внутренний диаметр трубы:

                                      ,

где    Q – расход на данном участке,

      V – средняя скорость жидкости.  

Средняя скорость жидкости в трубопроводах принимается:

для всасывающих  V=1,5 м/ с;

для сливных         V= 2 м/ с;

для напорных  при p = 6... 10 МПа - V= 5...6 м/с.

Определяем диаметры трубопроводов:

  •  всасывающий:

                     .

Согласно ГОСТу 8732-78 принимаем: dвс = 8мм.

  •  напорный:

                    .

Согласно ГОСТу 8732-78 принимаем: dн = 4 мм.

  •  сливной:

                    .

Согласно ГОСТу 8732-78 принимаем: dзл = 10 мм.

По принятому диаметру расчитаем действительную скорость жидкости в трубопроводе:

  •  всасывающий:

                           .

  •  напорный:

                           .

  •  сливной:

                     

                           .

Определим потери давления на трения с уравнения:

                               ,

де   - коэффициент трения;

    - плотность жидкости;

     - длини участка;

   - действительная средняя скорость жидкости;

   - диаметр трубы.

Коэффициент трения  зависит  от режима течения жидкости и определяется  по числу Рейнольдса:

                                             .

При Re>2300 – турбулентный режим

Коэффициент Дарси :

При Re<2300 – ламинарный режим

Коэффициент Дарси:

                                             .

Потери на местных сопротивлениях:

,

где  - коэффициент местных сопротивлений

Потери на гидравлических аппаратах:

Коэффициент трения λ зависит от режима течения жидкости и определяется числом Рейнольдса:

.

При Re>2300 – турбулентный режим

Коэффициент Дарси :

При Re<2300 – ламинарный режим

Коэффициент Дарси:

                                             .

 

Литература

1. Абрамов Е.И., Колесниченко К.А., Маслов В.Т. Элементы гидропривода: Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Київ: Техніка, 1977. - 322 с.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. - M. : Машиностроение, 1977. - Т. 1-3.

3. Каталог продукции Rexroth

4. Каталог продукции Festo

5. Каталог продукции Duplomatic

6. Гидропривод и гидропневмоавтомтика станков / Под ред. В.А. Федорца. - Київ: Вища шк., 1987. - 375 с.

7.Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы: Справочник. -М.: Машиностроение, 1982. - 464 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

80826. РЕОРГАНИЗАЦИЯ ОРГАНИЗАЦИЙ: ЭТАПЫ, СОДЕРЖАНИЕ ЭТАПОВ, ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ НА ОТДЕЛЬНЫХ ЭТАПАХ 46.03 KB
  Подготовка проекта реорганизации. Цели проекта: задачи и ожидаемые результаты; создание группы реорганизации с определенным удовлетворением квалификации и профессионализма; преодоление сопротивления реорганизации. Задача высшего руководства: обучить управленческую группу методологии проведения реорганизации. Задачи: выявление интересов потребителей; планирование необходимых мероприятий; выбор субъектов и объектов реорганизации; разработка модели текущего состояния организации; выявление видов деятельности организации;...
80827. ОБЩЕСТВЕННОЕ МНЕНИЕ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ФУНКЦИИ, ПОРЯДОК ФОРМИРВОАНИЯ 45.23 KB
  Субъект общественного мнения – общественность или группа характеризующиеся некой ценностью. Объект общественного мнения те факты общественной жизни которые затрагивают интересы группы общности и представляются актуальными социально значимыми. В основе общественного мнения лежат потребности и интересы людей. Признаки общественного мнения: нормативнооценочный характер т.
80828. PR И СМИ: ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ, ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ВЗАИМООТНОШЕНИЙ 47.1 KB
  Связи со СМИ одно из важнейших направлений PR. Именно поддержкой связей со СМИ mssmedi reltions в основном и занимаются большинство PRменеджеров компаний предприятий и организаций. Основные принципы работы со СМИ: представление СМИ одного голоса; сочетание плановости и гибкости; взаимодействие с представителями СМИ осуществляется как на формальном так и на не межличностном уровне Правила работы со СМИ: строить отношения на доверительной основе предоставляя информацию в полном объеме и оговаривать формы использования информации; 2.
80829. ИМИДЖ ОРГАНИЗАЦИИ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ФИРМЕННЫЙ СТИЛЬ 51.62 KB
  Корпоративный имидж – целенаправленно создаваемый эмоционально окрашенный образ организации. Цель и задачи корпоративного имиджа – привлечение внимания и создание позитивного общественного мнения об организации. Коммерческой организации позитивный имидж помогает увеличить конкурентоспособность на рынке.
80830. КАЧЕСТВО И ЭФФЕКТИВНОСТЬ УПРАВЛЕНЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ 45.22 KB
  Две модификации управленческого решения: Теоретически найденное решение; т. понятие качества управленческого решения. эффективность решения.
80831. ОСОБЕННОСТИ И МЕТОДЫ РАЗРАБОТКИ И ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В ОРГАНАХ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ И МЕСТНОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ 44.64 KB
  На основе анализа ситуации и определения критериев разрабатывается как можно большее количество возможных вариантов решений из которых составляется база данных. Методы принятия решений: 1 индивидуальный решения принимаются непосредственно ответственным лицом руководителем; 2 коллективный решения принимаются в процессе делового совещания мозгового штурма или руководитель сформулировав проблему в письменном виде дает приказание специалистам способным привнести существенный вклад в ее разрешение внести свои предложения. Для этого...
80832. УПРАВЛЯЕМЫЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ И ПОЛИТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ИХ СВЯЗИ И ОСОБЕННОСТИ, КЛАССИФИКАЦИЯ 44.67 KB
  В социальноэкономических и политических процессах особый интерес представляют управляемые процессы т. Социальные управляемые процессы включают в себя: деятельность направленную на сохранение жизни и здоровья человека его физическое развитие организацию дошкольного и специального трудового воспитания на создание жилищных коммунальных торговых и бытовых условий обеспечение коммуникациями и поддержание других важных составляющих в которых выражаются эти процессы воспроизводства и общения человека. Экономические управляемые процессы...
80833. ОБЩЕНАУЧНЫЕ И КОНКРЕТНО-ПРЕДМЕТНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ПОЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 49.34 KB
  Общенаучные методы исследования можно разделить на две большие группы: эмпирические и мыслительнологические методы.мыслительнологические методы: формализация исследование объектов когда их содержание познается с помощью выявленных элементов его формы; аналогия сходство предметов в каких либо свойствах или признаках причем в целом эти предметы различны; абстрагирование процесс мысленного выделения определенных свойств признаков и отношений некоторых объектов явлений и процессов; доказательство процесс установления истинности...
80834. ПРОГРАММА И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ПОЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 46.59 KB
  Программа исследования – комплекс основных положений определяющих проведение исслед. актуальность исследования цели и задачи объект и предмет рабочая гипотеза научный подход методы исслед. ресурсное обеспечение предполагаемый результат и ожидаемая эффективность исслед.