Газотурбинная установка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Расчет турбины

Заключение

Список литературы

Введение

Паровая или газовая турбина является силовым двигателем, в котором потенциальная энергия пара или газа превращается в кинетическую, а кинетическая в свою очередь преобразуется в механическую энергию вращения вала. Вал турбины непосредственно или при помощи зубчатой передачи соединяется с рабочей машиной. В зависимости от назначения рабочей машины паровая или газовая турбина может быть применена в самых различных областях промышленности: в энергетике, на транспорте, в морском и речном судоходстве, в авиации и т.д. Паровые и газовые турбины, как силовые двигатели, в промышленности и энергетике могут быть использованы только в сочетании с другим энергетическим оборудованием.

Газотурбинная установка состоит из:

воздушного компрессора, сжимающего воздух до требуемого давления;

регенератора, в котором воздух из компрессора подогревается за счет тепла отработавших газов турбины;

камеры сгорания, где происходит сгорание топлива;

газовой турбины;

электрического генератора;

пускового электродвигателя;

фильтров для очистки воздуха.

Преобразование потенциальной энергии пара или газа в механическую энергию вращения вала турбины осуществляется различным образом, и в зависимости от характера преобразования потенциальной энергии рабочего тела в кинетическую энергию струи различают активные и реактивные турбины.

Газовые турбины могут использоваться в самых различных областях промышленности:

- для привода электрических генераторов тепловых электрических станций и энергопоездов;

- для привода газовых нагнетателей газоперекачивающих станций на магистральных газопроводах;

- для привода турбовинтовых и турбореактивных двигателей самолетов;

- для привода винтов речных и морских судов;

- для привода воздуходувок. насосов, вентиляторов и эксгаустеров металлургических заводов и других промышленных предприятий;

- в качестве двигателя теплогазотурбовозов, а также на нефтеперерабатывающих заводах и других предприятиях.

В ГТУ применяется твердое, жидкое и газообразное топливо. В ГТУ применяются два типа рабочих циклов: разомкнутый и замкнутый.

В разомкнутом цикле компрессор через очистительный фильтр засасывает воздух из атмосферы и под определенным давлением подает его в камеру сгорания, куда одновременно поступает топливо, обычно жидкое или газообразное. Горячий газ, образовавшийся в камере сгорания в процессе сжигания топлива и смешения продуктов горения с воздухом, поступает в турбину, в которой его тепловая энергия преобразуется в механическую работу вращения вала. Отработавшие газы через выпускной патрубок турбины выбрасываются в атмосферу. Пуск в работу ГТУ осуществляется пусковым электродвигателем.

В замкнутом цикле рабочим телом также обычно является воздух, но он уже циркулирует по замкнутому контуру: компрессор - котел - турбина - воздухоохладитель - снова компрессор и т.д. Сжатие воздуха до рабочего давления производится компрессором, а нагрев его до температуры перед турбиной осуществляется в котле. Для пуска ГТУ также предусмотрен пусковой электродвигатель, а для заполнения контура - воздуховод с фильтром и запорным вентилем.

Из сопоставленных схем следует, что схема замкнутого цикла более сложна, она содержит больше вспомогательного оборудования и требует больших капитальных затрат на сооружение установки. Основным преимуществом этой схемы является возможность использования любого топлива, в том числе и твердого. Для разомкнутого цикла проблема сжигания твердого топлива пока еще не получила удовлетворительного решения.

Основным недостатком простейших схем ГТУ является их низкая экономичность, получающаяся в основном за счет потерь тепла с отработавшими газами. В разомкнутом цикле отработавшие газы, имеющие весьма высокую температуру, выбрасываются в атмосферу. В замкнутом цикле для снижения затрат энергии на сжатие воздуха применяется глубокое охлаждение рабочего воздуха в воздухоохладителе перед компрессором, что также сопряжено с потерями тепла в цикле

Использование в циклах части тепла отработавших газов или воздуха для подогрева воздуха, поступающего из компрессоров в камеры сгорания, позволяет повысить экономичность ГТУ. Однако такое повышение экономичности связано с применением регенераторов, т.е. с усложнением схем установок и удорожанием их стоимости.

В схемах замкнутого цикла тепло отработавшего в турбине воздуха или другого газа, передаваемое охлаждающей воде, может быть использовано для технологических целей или теплофикаций.

Расчет турбины

Рассчитать турбину на следующие условия работы: начальная температура газов перед турбиной (по параметрам торможения) Т*c=1400К; конечное давление (по параметрам торможения) Р*d=105 Па (1,02ат; отношение давлений в турбине д=0,5; расход газа G=140кг/с; частота вращения n=50с-1

Приняв средние значения характеристик газа Rг= 290Дж/(кгК), срг=1,130Дж/(кгК), подсчитаем параметр

mг=

Теплоперепад турбины по параметрам торможения

Н*0Т=ср2(1-д-m)=1,131400(1-0,5-0,257)=324,02кДж/кг.

Далее определяем параметры газа перед первой и за последней ступенями, назначив примерные величины скоростей и кпд; скорость во входном патрубке wc =40 м/с; скорость перед первой ступенью с0 =80 м/с; скорость в выходном патрубке wd=50м/с; скорость за последней ступенью сz=120 м/с; кпд входного патрубка звх=0,9; кпд выходного патрубка звых=0,5. Кроме того, принимаем кпд турбины з*=0,88. Давление торможения перед турбиной

Р*с=дР*d = 7105 Па.

Плотность газа перед турбиной, определенная по параметрам торможения:

с*с =

Потерю давления торможения во входном патрубке находим, приняв с0 с*с :

?Р*с =

Давление торможения перед первой ступенью

Р*0= Р*с -?Р*с =0,5105-32,64=0,49105 Па

Для определения параметров газа за последней ступенью вначале подсчитываем температуру газов за турбиной:

Т*d=

T*dt=

Температура газов за последней ступенью:

Тz= Т*d-

Поскольку давление за последней ступенью мало отличается от давления за турбиной, при определении плотности можно принять

Находим потери полного давления в выходном патрубке:

Давление торможения за последней ступенью:

Для определения числа ступеней турбины, вычислим располагаемый теплоперепад по параметрам перед первой и за последней ступенями:

Располагаемый теплоперепад одной ступени найдем по выбранному диаметру корневых сечений dk=1,15м и параметру ч0к=0,45; (хк==180,64м/с)

Число ступеней

Теперь определим коэффициент возврата тепла бm и уточним теплоперепад ступеней:

Теплоперепад одной ступени:

Переходим к предварительной оценке высоты лопаток первой и последней ступеней.

Согласно уравнению неразрывности

=

(принято cosг0=0,98).

Высота направляющих лопаток (на входе)

Для определения высоты лопаток последней ступени назначим приемлемое отношение:

, тогда

Площадь проходного сечения:

Меридиональная скорость за последней ступенью сzs определяется из уравнения неразрывности:

Найденное значение сzs вполне приемлемо и может быть принято.

Однако в первых ступенях целесообразно принять меньшее значение меридиональной скорости. Найдем меридиональную скорость за соплами первой ступени, приняв угол б1к=14?, степень реактивности ик=0,1 и коэффициент скорости ц=0,975 (ж=1-ц2=0,05).

м/с

Итак, с1к=379,41 м/с.

Меридиональная скорость

Поскольку меридиональная скорость в первой ступени заметно меньше, чем в последней, нецелесообразно выполнять все ступени однотипными. Можно, например, объединить первые четыре ступени в одну группу, а последние четыре ступени выполнять индивидуальными.

Переходя к расчету первой ступени, примем закон изменения окружной проекции скорости согласно формуле

,

обеспечивающей постоянную меридиональную скорость с1s по высоте лопаток, и кроме того, потребуем постоянства работы по высоте лопаток.

Расчет треугольников скоростей произведем для трех сечений - корневого, среднего и периферийного.

Начнем со среднего сечения. Средний диаметр в сечении перед соплами

Поскольку средний диаметр d1c мало отличается от d0с, примем d1c=1,275 м. Окружная проекция скорости в корневом сечении

Окружная проекция скорости на среднем диаметре по

Далее находим:

Меридиональная скорость на среднем диаметре с1sc принята равной с1sк, т.е. 91,788м/с:

Располагаемый теплоперепад в рабочей решетке

Степень реактивности

Относительная скорость за рабочими лопатками при коэффициенте скорости ш=0,97

Принимаем среднюю проекцию скорости с2s=c1s=91,788 м/с и вычисляем

Найденное значение угла приемлемо, хотя более желательно иметь б2=70-80?, что может быть достигнуто, например, путем небольшого увеличения диаметров (т.е. параметра Х0).

Находим температуру, давление и плотность газа:

Диаметр периферийного сечения

Принято cosг1с=0,98. Средний диаметр мало отличается от ранее принятого:

м

Дальнейший расчет газовой турбины сведен в таблицу:

Окружная проекция скорости с1u определяется по формуле

,

скорость

с2u - из условия постоянства работы по длине лопаток:

Относительная скорость находилась по проекциям:

а меридиональная проекция по формуле

В остальном расчет производился таким же образом, как и для среднего сечения.

К.п.д. ступени найдем вначале на трех контрольных радиусах:

За к.п.д. ступени допустимо принять среднее значение

Влияние утечек оценим по формуле

приняв

Дополнительные потери в ступени возникают также вследствие утечки газа через уплотнения диафрагмы. Их учет может быть произведен после определения размеров диафрагменного уплотнения и расчета утечки через диафрагменное уплотнение.

Подобно изложенному проводится расчет всех ступеней газовой турбины. После расчета последней ступени будет известна температура торможения за турбиной , что даст возможность найти к.п.д. и мощность всей турбины.

Заключение

Разработана конструкция проточной части газовой турбины для привода электрогенератора газотурбинной установки на заданные параметры температуры газов на входе, расхода газа и степени повышения давления перед расширением в турбине.

газотурбинная установка газовая турбина

Список литературы

1. А.Г. Костюк, А.Н. Шерстюк «Газотурбинные установки».

2. «Газотурбинные установки. Конструкция и расчет.» под общей редакцией Л.В. Арсеньева и В.Г. Тарышкина.

3. П.Н. Шляхин «Паровые и газовые турбины», М.-Л. 1966 год.

Размещено на Allbest.ru