49185

Расчет системы автоматического регулирования ГТД для поддержания частоты вращения ГТД

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Расчет клапана для регулирования подачи топлива. Расчет расходов топлива. Расчет расхода топлива на номинальном режиме работы ГТД. Расчет расхода топлива на максимальном режиме работы ГТД.

Русский

2013-12-22

592.8 KB

13 чел.

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет

Кафедра судовых турбин и турбинных установок

Курсовая работа:

Расчет системы автоматического регулирования ГТД для поддержания частоты вращения ГТД.

Проверил: проф. Кузнецов А.Л.

Выполнил: ст. гр. 2410 Дорофеев В.В.

Санкт-Петербург

2012

Оглавление

1. Номер варианта, исходные данные для расчета и цель работы. 4

2. Расчет клапана для регулирования подачи топлива. 4

2.1. Расчет расходов топлива. 4

2.1.1. Расчет расхода топлива на номинальном режиме работы ГТД. 4

2.1.2. Расчет расхода топлива на максимальном режиме работы ГТД. 4

2.1.3. Расчет расхода топлива, проходящего через регулирующий клапан на максимальном режиме. 5

2.1.4. Расчет расхода топлива, проходящего через регулирующий клапан на номинальном режиме. 5

2.1.5. Зависимость мощности ГТД от расхода топлива. 5

2.2. Расчет расходной характеристики регулирующего клапана. 6

2.2.1. Выбор типа клапана. 6

2.2.2. Расчет отношения давлений за регулирующим клапаном. 6

2.2.3. Расчет критического отношения давлений за регулирующим клапаном. 7

2.2.4. Определение характера истечения газа-топлива через регулирующий клапан. 7

2.2.5. Расчет диаметра и площади регулирующего клапана, соответствующему полностью открытому клапану. 7

2.2.6. Определение максимального смещения клапана (определение ) и наружного диаметра конуса седла регулирующего клапана. 7

2.2.7. Определение расходов топлива, проходящего через клапан при промежуточных положениях клапана. 8

2.2.8. Графики изменения расхода топлива от положения клапана. 9

2.2.9. Чертеж спроектированного топливного клапана. 10

2.3. Расчет усилий на регулирующий клапан от потока газа-топлива. 11

2.3.1. Взаимное расположение седла и репки клапана при различных положениях . 11

2.3.2. Расчет усилий при полностью закрытом клапане. 12

2.3.4. Расчет усилий при наполовину открытом клапане . 12

2.3.5. График зависимости усилий на клапане в зависимости от его положения. 13

3. Схема регулирования. 13

3.1. Выбор схемы регулирования 13

3.2. Схема выбранной схемы регулирования. 15

3.3. Зависимость усилий, получаемых золотником, от его смещения. 16

4. Гидродинамический датчик скорости. 17

4.1. Принципиальная конструкция регулятора скорости. 22

5. Расчет одностороннего сервомотора с регулятором скорости 23

5.1. Конструкция СМ. 26

6. Золотник (гидравлические связи). 27

6.1. Конструкция золотника 31

8. Построение статической характеристики САР. 32

8. Статическая характеристика САР. 33

1. Номер варианта, исходные данные для расчета и цель работы.

Номер варианта задания

№1

Мощность ГТД (номинальная)

10 МВт

Удельный расход топлива

Конструкция ГТД

Есть свободная силовая турбина.

Неравномерность САР

7 %

Номинальное давление ГМН

Номинальное давление за импеллером

Связи между узлами САР

гидравлические

Давление газа-топлива

Температура

Гидр. сопротив. форсунок на ном. режиме

Газовая постоянная для метана

Показатель адиабаты

1,3

Вид топлива

метан

Цель работы – спроектировать систему автоматического регулирования для поддержания частоты вращения ГТД.

2. Расчет клапана для регулирования подачи топлива.

2.1. Расчет расходов топлива.

2.1.1. Расчет расхода топлива на номинальном режиме работы ГТД.

Номинальная мощность ГТД: .

Удельный расход топлива: .

Тогда получится такой расход топлива на номинальном режиме:

2.1.2. Расчет расхода топлива на максимальном режиме работы ГТД.

За максимальный режим работы ГТД принимается режим, у которого мощность больше номинальной мощности на 5%. Так как мощность прямо пропорциональна расходу топлива, то расход топлива на максимальном режиме найдется так:

2.1.3. Расчет расхода топлива, проходящего через регулирующий клапан на максимальном режиме.

Регулирующий клапан – это клапан, который вместе с пусковым клапаном регулирует режим работы ГТД (т.е. её мощность). Через пусковой клапан всегда протекает количество топлива, равное 25% от номинального расхода топлива. Такое количество топлива обеспечивает минимально необходимую мощность, необходимую чтобы крутить компрессор. Если мощность ГТД будет ниже этой минимальной необходимой мощности, то компрессор перестанет крутиться, из-за этого воздух перестанет засасываться, вследствие чего перестанет течь рабочее тело, прекратиться процесс горения в камере сгорания и ГТД полностью остановится. Поэтому чтобы случайно не нарегулировать режим, у которого мощность будет ниже мощности, необходимой для вращения компрессора, расход, соответствующий этой минимальной мощности (мощности холостого хода) пускают через пусковой клапан, который при регулировании турбины не трогают, а все остальные режимы получают путем управления регулирующим клапаном. Учитывая это, расход через регулирующий клапан на максимальном режиме работы ГТД найдется так:

2.1.4. Расчет расхода топлива, проходящего через регулирующий клапан на номинальном режиме.

Учитывая то, что мощность на максимальном режиме больше мощности на номинальном режиме на 5% и то, что мощность прямо пропорциональна расходу топлива, расход топлива через регулирующий клапан на номинальном режиме найдется так:

2.1.5. Зависимость мощности ГТД от расхода топлива.

(На графике расход холостого хода найден так:

Мощность на максимальном режиме работы ГТД:

)

2.2. Расчет расходной характеристики регулирующего клапана.

2.2.1. Выбор типа клапана.

Тип клапана выбирается по максимальному расходу топлива, проходящему в регулирующем клапане. В моем случае , поэтому выбираем второй тип клапана – игольчатый клапан.

2.2.2. Расчет отношения давлений за регулирующим клапаном.

Давление газа-топлива: .

Давление потока в камере сгорания (номинальное давление за импеллером): .

Гидравлическое сопротивление форсунок:

Тогда давление газа-топлива за регулирующим клапаном определится так:

Соответственно отношение давлений будет равно:

2.2.3. Расчет критического отношения давлений за регулирующим клапаном.

Показатель адиабаты: k=1,3.

2.2.4. Определение характера истечения газа-топлива через регулирующий клапан.

на всех режимах будет критическое истечение

газа-топливарасход газа-топлива будет прямо пропорционален минимальной проходной площади регулирующего клапана.

2.2.5. Расчет диаметра и площади регулирующего клапана, соответствующему полностью открытому клапану.

При полностью открытом регулирующем клапане расход через клапан определяется площадью отверстия диаметром d и параметрами потока перед регулирующим клапаном:

Плотность газа-топлива на входе в клапан в этом уравнении определяется из уравнения состояния для идеального газа:

Теперь определяем диаметр отверстия при полностью открытом клапане:

Округляем d до d=13 мм.

Тогда получится следующая проходная площадь:

Из-за округления нужно уточнить максимальный расход, который можно пропустить через регулирующий клапан:

2.2.6. Определение максимального смещения клапана (определение ) и наружного диаметра конуса седла регулирующего клапана.

Для определения сначала нужно определить :

 определяется из условия:

Из двух получившихся корней выбираем один: .

Теперь определяем :

Округляем до  

2.2.7. Определение расходов топлива, проходящего через клапан при промежуточных положениях клапана.

Расходы топлива при промежуточных положениях клапана определится следующим образом (примем, что положений клапана будет 8 штук):

Оформим расчет в таблице ( на следующей странице):


2.2.8. Графики изменения расхода топлива от положения клапана.


2.2.9. Чертеж спроектированного топливного клапана.

2.3. Расчет усилий на регулирующий клапан от потока газа-топлива.

2.3.1. Взаимное расположение седла и репки клапана при различных положениях .

2.3.2. Расчет усилий при полностью закрытом клапане.

Тогда:

2.3.3. Расчет усилий при полностью открытом клапане .

Тогда:

2.3.4. Расчет усилий при наполовину открытом клапане .

Тогда:

2.3.5. График зависимости усилий на клапане в зависимости от его положения.

3. Схема регулирования.

3.1. Выбор схемы регулирования

Выбор схемы регулирования ГТД выбирается на основе расчета усилий, действующих на регулирующий клапан. Расчет усилий, действующий на регулирующий клапан (выполненный в пункте 2), показывает, что их величина не велика (около 83 кгс). В этом случае можно обойтись без двойного усиления сигнала и применить сервомотор с проточным золотником. Поэтому из двух представленных схем (в пособии к курсовой работе) выбирается схема регулирования с переменным сечением дроссельной шайбы.

3.2. Схема выбранной схемы регулирования.

3.3. Зависимость усилий, получаемых золотником, от его смещения.

Эту зависимость получают, используя баланс расходов масла в золотнике. Баланс расходов масла в золотнике имеет вид:

Отсюда получаем:

Далее задаем ряд значений и рассчитываем ряд значений . Оформим все это в таблице:

1

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0

1

0,941

0,845

0,692

0,5

0,308

0,155

0,059

0

По этой таблице строим график зависимости усилий, получаемых золотником, от его смещения:

Далее анализируя этот график, выбирается участок, на котором будет регулироваться сервомотор с золотником. Участок должен быть как можно больше линейным. В данном случае выбирается участок . Линейная аппроксимация в этом случае имеет вид:  c отклонением менее 15%. Подставляя в эту аппроксимацию крайние точки относительного смещения выбранного участка для регулирования золотника с сервомотором, получаем что в диапазоне давлений от до требуется чтобы сервомотор обеспечил полный ход клапана .

4. Гидродинамический датчик скорости.

В нашем случае используется импеллер, представляющий собой центробежный масляный насос и используется только как датчик частоты вращения. Поэтому для предотвращения вскипания масла предусмотрен сброс части масла через шайбу. Напорная линия давления после импеллера действует на поршень датчика частоты вращения вала. В противоположном направлении на поршень датчика действует усилие от пружины и давление масла, подводимого к импеллеру. При установившейся частоте вращения поршень находится в равновесии, а при изменении частоты вращения перемещается вследствие изменения напора до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие сил на новом установившемся режиме. Своим штоком датчик через соединительную муфту регулятора скорости перемещает золотник, изменяющий давление масла управления и ,тем самым, с помощью сервомотора изменяется положение клапана.

Напор импеллера пропорционален квадрату частоты вращения:

При изменении частоты вращения, соответствующей требуемой степени неравномерности, изменение напора равно:

По исходным данным

на номинальном режиме примем 5%.

Тогда: на номинальном режиме.

Величина обеспечивающая перемещение муфты регулятора скорости , соответствующее полному ходу регулирующего клапана, остается постоянной для всех переменных режимов работы.

Исходя из этого и выполнив необходимые алгебраические действия:

 

поддерживаемая частота вращения на номинальном режиме

поддерживаемая частота вращения на переменном режиме

степень неравномерности на i-ом режиме

неравномерность частоты вращения на i-ом режиме.

Перестановочная сила гидродинамического датчика для обеспечения высокой чувствительности согласно заводскому опыту должна превосходить 300 Н. Поэтому примем .

Используя это находим площадь поршня регулятора скорости:

Далее, используя выражение , находим что:

Затем, выбирается жесткость пружины. Жесткость пружины выбирается по величине хода поршня, соответствующего неравномерности регулирования. Эта величина выбирается обычно не менее 2 мм, так как возможны помехи перемещения из-за пульсаций давления в импеллере, тепловых расширений и других причин.

Исходя из этого примем величину хода поршня:

Тогда жесткость пружины регулятора скорости определится так:

Далее требуется посчитать пружину на прочность.

Для этого вычисляется усилие на поршень при номинальном режиме:

С помощью усилия на номинальном режиме вычисляется предельное (до соприкосновения витков) усилие на поршень для обеспечения линейной зависимости хода поршня от усилия:

Далее рассчитывается усилие на поршень на режиме холостого хода:

Затем, из справочников берутся допускаемые касательные напряжения для пружины и её модуль сдвига. В данном случае выбраны следующие параметры:

Допускаемые касательные напряжения: .

Модуль сдвига: .

Расчет прочности пружины делается по формуле:

Коэффициент запаса К принимается равным 1,5 , для того чтобы фактические касательные напряжения были меньше допускаемых. С учетом этого, получим выражение, связывающее диаметр проволоки    со средним диаметром пружины . Задаваясь будем получать различные пружины, удовлетворяющие условиям прочности. Записываем теперь условие прочности для нашего случая:

Откуда, получаем:

Далее, в результате вариантных расчетов (задания ) получено:

;.

Теперь вычисляем индекс пружины:

Поэтому пружины с индексом меньше 4-х применять не следует.

Число витков пружины определяется её жесткостью:

Полное число витков равно сумме рабочих и “мертвых” витков:

Далее задается угол подъема витков ненагруженной пружины из диапазона 6 – 9 градусов, поэтому задаем .

Длина сжатой пружины до соприкосновения:

Шаг пружины:

Длина ненагруженной пружины:

Относительная длина пружины:

Для обеспечения устойчивости сжатия это отношение должно быть меньше пяти.

Т.о. нижняя регулируемая частота вращения, когда регулирующий клапан вступает в работу равна 0,6 от номинальной и усилие от пружины, равное силе от давления масла импеллера на поршень, равно .

Это обеспечивается сжатием пружины на величину . Вычислим её:

А длина пружины становится равной:

Букса золотника на этом режиме занимает крайнее верхнее расположение.

При поддержании номинальной частоты вращения поршень действует на пружину с силой и сжимает её на величину при этом .

Для поддержания частоты букса золотника с помощью механизма должна быть передвинута вниз на величину равную .

Т.о. перемещая буксу золотника вниз от её положения на режиме холостого хода мы будем увеличивать давление масла управления и открывать топливный клапан с сопутствующим увеличением мощности и частоты вращения роторов ГТД. Каждому фиксированному промежуточному положению буксы будут соответствовать свои фиксированные обороты, точность поддержания которых определяется степенью неравномерности системы автоматического регулирования.

Оценим динамические характеристики регулятора скорости:

Сила инерции.

Пусть произойдет перемещение системы поршень регулятора скорости – золотник сервомотора на величину за время 0,1 сек. Масса подвижных частей системы равна 4,9 кг. Ускорение подвижных частей найдем из следующих зависимостей:

Откуда ускорение равно:

А сила инерции:

Сила инерции получилась в 160 раз меньше перестановочного усилия.

Теперь оцениваем другую динамическую характеристику – постоянную времени разгона.

Для современных паровых турбин постоянная времени разгона ротора лежит в пределах: . Следовательно, время 0,1 сек для оценки сил инерции выбрано с большим запасом.

Определим время срабатывания регулятора скорости из-за заполнения объема при перемещении поршня на величину .

Объем масла, который засасывает поршень при своем ходе: . Если импеллер как центробежный насос способен увеличивать расход на , то получим время движения поршня: . Допустим, что наш импеллер спроектирован так что . Тогда: .

В связи с изложенным выше поршневой регулятор скорости в динамическом отношении можно считать идеальным.

4.1. Принципиальная конструкция регулятора скорости.

5. Расчет одностороннего сервомотора с регулятором скорости

Исходные данные:

Усилия от регулирующего клапана: при и . Размах усилия: .

Давление силового масла:

Давления масла управления:;

Расчет:

Примем усилие регулирующего клапана:

Активная площадь клапана:

Диаметр штока:

Диаметр поршня:

Примем окончательно и тогда окончательная активная площадь поршня будет равна:

Пружина СМ.

Примем усилие прижатия регулирующего клапана при равным 830 Н.

Тогда начальный натяг пружины получится равным:

Условие равновесия сил при полностью открытом клапане имеет вид:

Предельное до соприкосновения витков пружины усилие:

Теперь выполним расчет основных размеров пружины выполним по формулам:

Средний диаметр пружины:

Число витков пружины:

Теперь задаваясь диаметром проволоки пружины выполним ряд расчетов. Оформим все это в таблице:

По этой таблице выбираем

Теперь уточним жесткость пружины:

Далее рассчитываем полное количество витков пружины:

Длина сжатой пружины до соприкосновения:

Далее задается угол подъема витков ненагруженной пружины из диапазона 6 – 9 градусов, поэтому задаем .

Шаг пружины:

Длина ненагруженной пружины:

Относительная длина пружины:

Построение характеристики сервомотора:

5.1. Конструкция СМ.

6. Золотник (гидравлические связи).

Из расчета СМ имеем при : и при :. Соответствующие значения ,получаемые из уравнения , равным соответственно 0,2465 и 0,7911. Этим значениям должно соответствовать перемещение от РС от до . Поскольку муфта РС жестко связана с золотником: . Из этих соображений имеем:

Изобразим положение золотника относительно буксы при закрытом и при полностью открытом регулирующем клапане:

Определим площадь золотника для мгновенного сброса нагрузки. Временем перемещения РС –пренебрежем. Пренебрежем также силами инерции подвижных частей СМ. Тогда постоянная времени CМ зависит только от времени опорожнения полости СМ от масла под действием пружины, т.е. от перепада давлений на окнах золотника и объема полости под поршнем золотника.

При мгновенном сбросе нагрузки при полностью открытом РК величина изменится от до.

Среднее значение тогда будет равно:

Постоянная времени СМ паровых турбин согласно опыту равна: .

Постоянна времени СМ ГТД из-за малых размеров равна:

Примем

При этих данных площадь окна золотника равна:

Ширина окна золотника:

Окно золотника может быть выполнено лишь на части окружности буксы. Для обеспечения жесткости буксы центральный угол желательно иметь меньшим 180 градусов. С другой стороны центральный угол окна должен быть больше 30 градусов во избежание чрезмерно острых кромок после фрезерования. Примем центральный угол равным 45 градусов. Тогда диаметр буксы будет равен:

Размер “a” подбирается по ширине фрезы. Например, имеем фрезу шириной 14,6 мм. Тогда

Поясним все это картинкой:

Далее рассчитываем перемещение буксы золотника, осуществляемое механизмом управления:

6.1. Конструкция золотника

8. Построение статической характеристики САР.

Дополним ранее полученные материалы следующими таблицами:

8. Статическая характеристика САР.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33714. Криминалистическая характеристика поджогов 11.57 KB
  ; б создания обстановки облегчающей совершение другого преступления например в целях привлечения внимания работников милиции к специально организованному пожару и совершения в это время кражи на оставшемся без охраны объекте; в мести на почве обиды ссоры ущемления прав и т. Поджоги совершаются: с помощью специально приготовленных горючих мате риалов; с помощью специально изготовленных технических приспособлений или специально созданных условий рассчитанных на немедленное или в заданное время воспламенение от внешнего источника...
33715. Признаки объекта, подвергшегося поджогу 15.63 KB
  : время начала и окончания пожара его масштабы интенсивность горения направление распространения огня; обстановка в которой проходил пожар; что горело внутри помещения какие материалы вещества находившиеся здесь способствовали распространению пожара; сколько людей и кто именно находился в помещении к моменту начала и в ходе пожара кого и каким образом удалось спасти; характер вид и размер материального ущерба иного вреда причиненного пожаром другими сопровождавшими его или обусловленными им процессами явлениями; в каком...
33716. Особенности расследования дорожно-транспортных преступлений в ситуации, когда водитель скрылся с места происшествия (на автомобиле или без него) 15.09 KB
  Особенности расследования дорожнотранспортных преступлений в ситуации когда водитель скрылся с места происшествия на автомобиле или без него. В начале расследования возникают две типичные ситуации: а водитель известен он и транспортное средство находятся на месте происшествия: водитель скрылся вместе с автомашиной или без нее но личность его установлена; б водитель неизвестен он скрылся с места происшествия вместе с авто машиной или оставил угнанную автомашину. Программа действий следователя состоит в незамедлительном осмотре места...
33717. Криминалистическая характеристика преступлений, совершаемых несовершеннолетними 14.86 KB
  К первому могут быть отнесены лица впервые совершившие преступления; их предшествующее поведение и нравственный облик достаточно положительны. Мотив и цель преступления формируется у них специально под влиянием ситуации в результате воздействия взрослого лица или более испорченного сверстника. Многие преступления совершаются ими спонтанно: участие в драках хулиганство ограбление пьяных и т. Отсутствие предварительной подготовки в свою очередь влияет на выбор несовершеннолетними орудий совершения преступления которыми зачастую...
33718. Методика расследования преступлений, совершенных с участием несовершеннолетних лиц 14.71 KB
  При расследовании таких преступлений необходимо установить следующие обстоятельства: возраст несовершеннолетнего число месяц и год рождения; условия жизни и воспитания несовершеннолетнего; уровень психического развития и иные особенности его личности; влияние на несовершеннолетнего старших по возрасту лиц. с целью получения информации о личности несовершеннолетнего об условиях его жизни учебы о ближайшем окружении и его поведении. Первоначальные следственные действия: а осмотр места происшествия в ходе которого может быть получена...
33719. КРИМИНАЛИСТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРЕСТУПЛЕНИЙ, СОВЕРШЕННЫХ ОРГАНИЗОВАННЫМИ ПРЕСТУПНЫМИ ГРУППАМИ 12.41 KB
  Признаками преступной группы являются: 1 наличие в организованной преступной группе строгой иерархии во главе с лидером; 2 наличие постоянного состава группы; 3 существование специальных методов формирования организованной преступной группы и привлечения в нее новых членов; 4 дисциплина наличие в организованной преступной группе системы поощрений и наказаний; 5 распределение ролей между участниками преступной группы; 6 распределение дохода в зависимости от иерархии; 7 наличие противоречий внутри преступной группы противоречия...
33720. ПОНЯТИЕ И ВИДЫ КРИМИНАЛИСТИЧЕСКИХ ВЕРСИЙ 30.5 KB
  Различают следующие виды версий: 1по субъекту выдвижения: аследственные – возникают в процессе дознания и следствия; б оперативноразыскные – возникают в процессе оперативноразыскных мероприятий; в судебные – возникают в процессе судебного разбирательства; г экспертные – возникают в ходе экспертного исследования; 2 по объему: а общие – предположения охватывающие устанавливаемый объект в целом; б частные – объясняют его отдельные элементы обстоятельства; 3 по степени определенности: а типовые – наиболее характерны для данной...
33721. роверка криминалистических версий 29.5 KB
  Требования предъявляемые к версии: 1 реальная возможность принципиальная проверяемость; 2 обоснованность установленными фактами; 3 относительная простота имеющая четкую однозначную формулу; 4 приложимость к более широкому кругу явлений устанавливаемых в ходе расследования. Проверка криминалистических версий – деятельность направленная на установление фактических обстоятельств подтверждающих или опровергающих предположение составляющее содержание версии. Проверка версии включает: 1 выведение из версии всех возможных следствий т....
33722. ПЛАНИРОВАНИЕ РАССЛЕДОВАНИЯ ПРЕСТУПЛЕНИЙ 13 KB
  Планирования расследование преступлений преследует следующие цели: 1 полнота всесторонность и объективность расследования; 2 экономичность расследования; 3 согласование усилий следователя с усилиями других служб органов внутренних дел и других лиц работающих по данному делу. Должны быть четко определены задачи выясняемые вопросы комплекс определенных мероприятий точные сроки исполнения исполнители; 3 реальность – обоснованность выдвигаемых следственных версий практическая выполнимость намеченных мероприятий возможность соблюдения...