Расчет газотурбинной установки мощностью 16 МВт
Уточненный тепловой расчет схемы на номинальный режим. Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в турбине компрессора. Параметры газа за турбиной. Адиабатический теплоперепад на турбину.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | дипломная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 08.09.2014 |
Размер файла | 306,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Реферат
В данном дипломном проекте произведен расчет газотурбинной установки мощностью 16 МВт. Прототипом был выбран конвертированный авиационный двигатель Пермского авиационного завода ПС-90 ГП-2 входящий в состав ГТУ-16П.
ГТУ-16П разработана в рамках комплексной программы «Урал-Газпром» по созданию ГПА нового поколения на базе ГТУ-12П и предназначена для привода нагнетателя природного газа. Основу конструкции ГТУ-16П формирует газотурбинный двигатель ПС-90ГП-2, который является модификацией ПС-90ГП-1.
Основные отличия ПС-90ГП-2 от предыдущей версии двигателя:
1) дополнительная «нулевая» ступень компрессора с ПНА
2) трёхступенчатая силовая турбина
В качестве спец.темы спроектирован регулируемый сопловой аппарат свободной силовой турбины, найдены зависимости различных параметров при повороте сопловых лопаток.
Также дипломный проект включает в себя: расчет тепловой схемы двигателя с последующим выбором Gв и к0, газодинамический расчет турбин по среднему диаметру, расчет закона закрутки всех ступеней турбины высокого давления и силовой турбины, расчеты на прочность рабочей лопатки 3й ступени силовой турбины, технологию эксплуатации ГПА, описание конструктивных особенностей, экономическую часть(расчет себестоимости агрегата), анализ безопасности жизнедеятельности, а также природопользование и охрана окружающей среды.
Перечень листов графических документов
Название чертежа |
Обозначение |
Формат |
|
Продольный разрез ГГ |
140503.411420.501.01 |
А1 |
|
Компоновка ГПА вид сбоку |
140503.411420.501.02 |
А1 |
|
Компоновка ГПА вид сверху |
140503.411420.501.03 |
А1 |
|
Камера сгорания |
140503.411420.501.04 |
А1 |
|
Тепловая схема ГТД |
140503.411420.501.05 |
А1 |
|
Продольный разрез силовой турбины |
140503.411420.501.06 |
А1 |
Основные условные обозначения, индексы и сокращения
Условные обозначения:
а - скорость звука;
в - хорда;
В - ширина лопатки;
с - скорость в абсолютном движении;
Ср -удельная теплоёмкость;
D - диаметр;
Dе - веерность;
F - площадь венца;
f - площадь поперечного сечения лопатки;
G -массовый расход;
H - теплоперепад в турбине;
h - теплоперепад в ступени;
k -показатель адиабаты;
l - высота лопатки;
M - число Маха;
N - мощность;
n - частота вращения;
p - давление;
S - осевой зазор;
T,t - температура (К, 0С);
V - удельный обьём;
W - скорость в относительном движении;
z - число ступеней;
Индексы и сокращения:
* - по заторможенным параметрам;
1 - на выходе из сопел, на входе в рабочие лопатки;
2 - на выходе из рабочих лопаток;
а - осевая составляющая;
u - окружная составляющая;
с - в абсолютном движении;
w - в относительном движении;
z - последней ступени;
ад. - адиабатический;
г - газа;
к - корневой;
л - лопатки;
н - наружный;
с - сопла;
р - рабочей лопатки;
расп - располагаемый;
ср - средний;
ст - ступени;
т - турбины, за турбиной;
тр - трения.
ГТУ - газотурбинная установка;
ГПА - газоперекачивающий агрегат;
ГТД - газотурбинный двигатель;
КПД- коэффициент полезного действия;
РЛ - рабочая лопатка;
СА - сопловой аппарат;
ТВД - турбина высокого давления;
ТНД - турбина низкого давления;
ССТ- свободная силовая турбина;
ОК - осевой компрессор;
РСА - регулируемый сопловой аппарат;
КНД - компрессор низкого давления;
КС - компрессорная станция;
ГЩУ- главный щит управления;
АВО - аппарат воздушного охлаждения;
ОК - осевой компрессор;
КС - камера сгорания;
Н - нагнетатель.
Введение
Как известно, в качестве газотурбинных установок малой и средней мощности могут быть использованы конвертированные газотурбинные двигатели авиационного либо судового типа. Исторически, до некоторого времени, развитие технологии и улучшение конструкции стационарных и авиационных двигателей шло параллельными курсами. Однако, вследствие широкого применения ГТД в военной и гражданской авиации и значительных затрат на их разработку и совершенствование технологии, двигатели авиационного типа получили ряд преимуществ перед аналогичными стационарными: более высокий эффективный КПД (до 40% и более), высокое качество изготовления, модульность конструкции, - благодаря чему они нашли широкое применение в наземных условиях на газоперекачивающих станциях и в электроэнергетике. Недостатком их являются более высокие затраты на обслуживание и ремонт.
Надежность двигателей обеспечивают длительными доводочными и ресурсными испытаниями большого числа опытных ГТД на наземных стендах и в летающих лабораториях, строгой регламентацией технологии изготовления, сборки и эксплуатации [8]. Необходимая экономичность достигается высокими параметрами двигателя (к и Тг), совершенной аэродинамикой турбомашин, рациональным использованием воздуха для охлаждения высокотемпературных деталей. Хорошие массовые показатели обеспечиваются за счет положенного в основу при проектировании принципа минимизации массы путем рационального использования материала, за счет новой технологии получения заготовок, широкого применения легких сплавов и материалов с высокой удельной прочностью (титановые, магниевые и другие сплавы).
При конвертировании авиадвигателя для работы на КС необходимо выполнить большой объем работы, обусловленной типом двигателей.
Переработка ТВД или двухконтурного турбореактивного двигателя (ДТРД) обычно включает в себя: замену топливной системы, замену подвески (крепления) двигателя, снижение максимальной частоты вращения, температуры газа и степени сжатия, удаление(глушение) вентиляторного контура (в ДТРД) или редуктора в ТВД, перестановку навесных агрегатов с корпуса двигателя на раму, замену систем регулирования и автоматического управления.
В отечественной практике при конвертировании авиадвигателей получили распространение силовые турбины транспортного типа на подшипниках качения, имеющие единый конструктивный облик с газогенератором.
В настоящее время парк ГПА с газотурбинным приводом составляет более 80% от общего количества агрегатов, эксплуатируемых на компрессорных станциях магистральных газопроводов в составе крупнейшего в Европе газотранспортного предприятия - ОАО «Газпром». Большинство приводных газотурбинных установок, как стационарных, так и конвертированных в 70е и 80е годы из авиационных и судовых двигателей, отработали назначенный ресурс и подлежат замене.
Кроме того, с середины 90х годов прошлого столетия в нашей стране начата активная реализация перспективного направления по разукрупнению энергетических систем с применением в составе энергетических установок ГТУ и ГТД сравнительно небольшой мощности, содержащих свободные силовые турбины(ССТ).Это позволяет использовать более сложные комбинированные парогазовые схемы, обеспечивающие максимально достижимую эффективность работы энергетических объектов.
Принципы и методы проектирования свободной силовой турбины, выделенной на отдельный вал, во многом определяют экономичность всей установки.
Обзор литературных источников
При работе над настоящим дипломным проектом был использован ряд литературных источников, подробный список которых приведен в конце пояснительной записки. В них изложены методики теплового и газодинамического расчетов схем приводных газотурбинных установок.
Тепловой расчет выполнен с использованием методического пособия по выполнению курсовых проектов и работ, в котором изложена методика теплового расчета приводных ГТУ. Газодинамический расчет турбины и определение ее основных размеров ступеней, а также прочностные расчеты выполнены с использованием методических указаний к курсовому проектированию.
В книге С.З.Копелев «Основы проектирования турбин авиадвигателей» [10] М.:Машиностроение1988 рассмотрены вопросы зависимости КПД от основных параметров ступени.
1. Тепловой расчет схемы ГТУ
1.1 Выбор оптимальной степени повышения давления в цикле ГТУ
Схема ГТУ простого открытого цикла без регенерации теплоты представлена на
Рис1.1
Для выбора оптимальной степени повышения давления в цикле ГТУ проводится расчет тепловой схемы с заданными коэффициентами.
Исходные данные для этого расчета приведены в таблице 1.1
Таблица 1.1
Исходные данные
Величина |
Обозначение |
Размерность |
Значение |
|
Эффективная мощность агрегата |
Nе |
кВт |
16000 |
|
Давление атмосферного воздуха |
Р1 |
Па |
101300 |
|
Температура атмосферного воздуха |
Тв |
К |
288 |
|
Температура продуктов сгорания перед турбиной |
Тг |
К |
1443 |
|
Гидравлическое сопротивление по тракту |
?тр |
? |
0,05 |
|
Частота вращения газогенератора |
nтвд |
об/мин |
10500 |
|
Частота вращения силовой турбины |
nст |
об/мин |
5300 |
|
Удельная теплоемкость воздуха в компрессоре |
срк |
кДж/кг.К |
1,01 |
|
Удельная теплоемкость продуктов сгорания в турбине |
срт |
кДж/кг.К |
1,22 |
|
Удельная теплоемкость воздуха перед камерой сгорания |
срв |
кДж/кг.К |
1,05 |
|
Удельная теплоемкость продуктов сгорания в камере сгорания |
сркс |
кДж/кг.К |
1,10 |
|
КПД турбины |
?т |
? |
0,895 |
|
КПД компрессора |
?к |
? |
0,87 |
|
КПД камеры сгорания |
?кс |
? |
0,99 |
|
КПД механический |
?мех |
? |
0,985 |
|
Расход охлаждающего воздуха |
qохл |
? |
0,035 |
|
Расход утечек воздуха через уплотнения |
qут |
? |
0,015 |
|
Коэффициент расхода ТВД |
?1 |
? |
0,94 |
|
Коэффициент расхода СТ |
?2 |
? |
0,975 |
|
Показатель адиабаты для воздуха |
kв |
? |
1,4 |
|
Показатель адиабаты для продуктов сгорания |
kг |
? |
1,33 |
Расчет выполнен согласно методике [1] и сведен в таблицу 1.2. На рисунке 1.1 представлены зависимости удельной эффективной работы и КПД ГТУ от степени повышения давления.
1.2 Уточненный тепловой расчет схемы на номинальный режим
По результатам теплового расчета схемы на переменный режим работы представленном в пункте 1.1 принимается номинальное значение к0=19,61. Уточнение теплофизических характеристик рабочих тел турбомашин: воздуха для компрессора и продуктов сгорания для турбин - производится по средней температуре в начале и в конце процесса.
Расчет ведется в следующей последовательности:
1. Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре:
где срк=1,01 кДж/кгК, Тв=288 К, к=0,86, k=1,4.
2. Температура воздуха за компрессором:
3. Средняя температура процесса сжатия воздуха в компрессоре:
4. Уточняются теплофизические свойства воздуха по средней температуре процесса сжатия при по диаграммам [1] (уточненным величинам присваивается индекс `):
5. Уточненное значение удельной работы сжатия компрессора:
6. Уточненное значение температуры воздуха за компрессором:
7. Уточненное значение средней температуры процесса сжатия в компрессоре:
Ввиду малости изменения значения средней температуры процесса сжатия воздуха в компрессоре дальнейшего уточнения теплофизических параметров воздуха не требуется.
8. Определяется коэффициент избытка воздуха продуктов сгорания:
9. Степень расширения продуктов сгорания в турбинах ГТУ:
10. Удельная работа расширения турбины компрессора:
11. Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора:
12. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в турбине компрессора:
13. Уточняются теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха 3,5:
14. Уточняется температура продуктов сгорания за турбиной компрессора и средняя температура процесса расширения в турбине компрессора:
15. Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора:
16. Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:
17. Удельная работа расширения силовой турбины:
18. Температура продуктов сгорания за силовой турбиной:
19. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в силовой турбине:
20. Уточняются теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха 3,5:
Поскольку изменений в теплофизических свойствах продуктов сгорания нет, то уточнять теплофизические параметры нет смысла.
21. Удельная полезная работа ГТУ:
22. Уточняются теплофизические свойства воздуха при температуре Тк' и :
срm'=1,02 кДж/(кг.К).
23. Количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания:
Qв = срmТк'(1-qохл-qут), кДж/кг,
Qв = 1,02.728,2.(1-0,035-0,015)=705,6 кДж/кг.
24. Теплофизические свойства продуктов сгорания при процессе подвода теплоты в камере сгорания при температуре Тг и 3,2:
срm'=1,121 кДж/(кг.К).
25. Количество теплоты, подведенное в камере сгорания:
26. Эффективный КПД газотурбинной установки:
27. Расход воздуха в цикле, обеспечивающий номинальную мощность:
28. Расходы рабочего тела для турбин ГТУ:
1.3 Моделирование компрессора
Осевой компрессор проектируемого ПС-90ГП-2 при нормальных атмосферных условиях () должен обеспечивать следующие характеристики работы в расчетном режиме:
- массовый расход воздуха; nном = 10500 об/мин - обороты газогенератора; - степень повышения давления;
- адиабатический КПД; Т= 288К- температура воздуха перед ОК.
Проточная часть осевого компрессора проектируется путем моделирования компрессора ГТУ, предназначенной для привода нагнетателя природного газа, мощностью 16 мВт, который предусматривает использование в качестве основы современного лопаточного аппарата осевого компрессора ПС-90ГП-1, имеющего дополнительную «нулевую» ступень компрессора с ПНА.
Моделирование осевого компрессора проектируемого двигателя можно провести двумя способами:
1) В качестве точки моделирования на характеристике осевого компрессора выбрать прежнюю расчетную точку, ввести коэффициент моделирования m и уменьшить частоту вращения ротора на этот коэффициент.
2) Расчетную точку на характеристике компрессора сместить по горизонтали до приведенной частоты вращения n=1,05 и увеличить при этом частоту вращения ротора; при этом размеры компрессора остаются прежними.
Наиболее оправданным является выбор первого варианта, так как он не приводит к снижению КПД, в то время как второй вариант ведет к снижению КПД на 1-1,5%.
Определим коэффициент моделирования.
Т.о. принимаем для ОК частоту вращения = 10680(об/мин),расчетная степень повышения давления = 19,61.
2. Газодинамический расчет турбин
2.1 Газодинамический расчет ступеней по среднему диаметру
Предварительный расчет
Расчет производим по методике изложенной в [2]. Схемы проточных частей турбин принимаем Dк=const. Также считаем заданными следующие величины: =0,98, =0,95, R=289 Дж/кгК.
Адиабатический тепловой перепад в турбине:
.
Параметры газа за турбиной:
.
Принимаем скорость перед диффузором .
Задаем: скорость в выхлопном патрубке ; КПД диффузора.
Потеря полного давления в диффузоре:
.
Адиабатический тепловой перепад по параметрам торможения перед первой ступенью и статическим параметрам за последней ступенью:
.
С учетом возврата тепла =0,02 располагаемый тепловой перепад:
.
Адиабатический теплоперепад на турбину компрессора:
, кДж/кг
кДж/кг
Адиабатический теплоперепад на силовую турбину:
, кДж/кг
тепловой турбина компрессор газ
кДж/кг
Дальнейший расчет сведен в таблицу 2.1. После расчета выполнен эскиз проточной части ТВД и ССТ в масштабе (рис.2.1.1 - 2.1.2).
Распределение теплоперепада по ступеням: h1стад =1,1 h2стад=303,6
Таблица 2.1
Газодинамический расчет ступеней по среднему диаметру
Наименование величины |
Обозна-чение |
Формула |
Размер-ность |
Турбина компрессора |
Силовая турбина |
||||
1-я ступень |
2-я ступень |
1-я ступень |
2-я ступень |
3-я ступень |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Адиабатический теплоперепад ступени |
hстад |
задаемся |
кДж/кг |
300,6 |
246,0 |
132,9 |
116,4 |
116,4 |
|
Средняя теплоемкость |
ср |
задаемся |
кДж/кгК |
1,230 |
1,150 |
1,120 |
1,115 |
1,110 |
|
КПД ступени |
ст |
задаемся |
- |
0,890 |
0,890 |
0,890 |
0,890 |
0,870 |
|
Полная температура за ступенью |
Т2* |
К |
1225,5 |
1035,1 |
939,7 |
846,8 |
755,5 |
||
Полное давление за ступенью |
Р2* |
мПа |
0,934 |
0,437 |
0,283 |
0,177 |
0,105 |
||
Степень реактивности |
?cp |
принимается |
- |
0,25 |
0,28 |
0,32 |
0,36 |
0,42 |
|
Адиабатический теплоперепад в СА |
hсад |
кДж/кг |
225,5 |
177,1 |
90,4 |
74,5 |
67,5 |
||
Скорость газа на выходе из сопел |
С1 |
м/с |
658,1 |
583,2 |
416,6 |
378,3 |
360,2 |
||
Угол выхода потока из сопел |
?? |
принимается |
град |
16 |
16 |
21 |
24 |
28 |
|
Осевая составляющая скорости за СА |
C1а |
м/с |
181,4 |
160,8 |
149,3 |
153,9 |
169,1 |
||
Осевая составляющая скорости за РЛ |
С2а |
принимается |
м/с |
150,0 |
160,0 |
155,0 |
170,0 |
200,0 |
|
Статическая температура за РЛ |
Т2 |
К |
1216,3 |
1024,0 |
929,0 |
833,8 |
737,5 |
||
Статическое давление за РЛ |
Р2 |
мПа |
0,9027 |
0,4162 |
0,2686 |
0,1652 |
0,0937 |
||
Удельный объём РЛ |
?2 |
м3/кг |
0,389 |
0,711 |
0,996 |
1,454 |
2,266 |
||
Ометаемая площадь на выходе из РЛ |
F2а |
м2 |
0,137 |
0,235 |
0,353 |
0,469 |
0,621 |
||
Корневой диаметр ступени |
Dк |
принимается |
м |
0,570 |
0,570 |
0,800 |
0,800 |
0,800 |
|
Высота РЛ |
lр |
м |
0,0685 |
0,1101 |
0,1218 |
0,1562 |
0,1982 |
||
Веерность ступени |
- |
9,3 |
6,2 |
7,6 |
6,1 |
5,0 |
|||
Окружная скорость на среднем диаметре РЛ |
u2 |
м/с |
356,9 |
380,1 |
260,1 |
269,8 |
281,6 |
||
Статическая температура за СА |
Т1 |
К |
1267,0 |
1077,6 |
957,6 |
875,5 |
788,3 |
||
Статическое давление за СА |
Р1 |
Па |
1,098 |
0,530 |
0,315 |
0,210 |
0,131 |
||
Удельный объём за СА |
1 |
м3/кг |
0,333 |
0,587 |
0,878 |
1,204 |
1,737 |
||
Ометаемая площадь на выходе из СА |
F1a |
м2 |
0,0972 |
0,1932 |
0,3225 |
0,4292 |
0,5636 |
||
Высота сопловой лопатки |
lc |
м |
0,0499 |
0,0928 |
0,1126 |
0,1447 |
0,1826 |
||
Окружная скорость на среднем диаметре СА |
u1 |
м/с |
346,5 |
370,5 |
257,5 |
266,5 |
277,2 |
||
Коэффициент расхода для СА |
- |
0,524 |
0,434 |
0,580 |
0,577 |
0,610 |
|||
Окружная проекция абсолютной скорости |
С1u |
м/с |
632,6 |
560,6 |
389,0 |
345,6 |
318,0 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W1u |
м/с |
286,1 |
190,2 |
131,5 |
79,1 |
40,8 |
||
Угол входа потока на РЛ |
?? |
град |
32,4 |
40,2 |
48,6 |
62,8 |
76,4 |
||
Скорость выхода потока на РЛ |
W1 |
м/с |
338,8 |
249,0 |
199,0 |
173,0 |
173,9 |
||
Скорость выхода потока из РЛ |
W2 |
м/с |
489,1 |
424,6 |
335,4 |
320,4 |
340,0 |
||
Угол выхода потока из РЛ |
?? |
град |
17,9 |
22,1 |
27,5 |
32,0 |
36,0 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W2u |
м/с |
465,5 |
393,3 |
297,4 |
271,6 |
274,9 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
м/с |
108,7 |
13,2 |
37,4 |
1,8 |
-6,7 |
||
Угол выхода потока за РЛ |
?? |
град |
54,1 |
85,3 |
76,4 |
89,4 |
91,9 |
||
Скорость выхода потока |
C2 |
м/с |
185,2 |
160,5 |
159,4 |
170,0 |
200,1 |
||
Скорость звука в потоке за РЛ |
a2 |
м/с |
678,6 |
622,6 |
597,5 |
566,1 |
532,4 |
||
Число Маха за РЛ |
Mc2 |
- |
0,273 |
0,258 |
0,267 |
0,300 |
0,376 |
||
Скорость звука на выходе из СА |
a1 |
м/с |
692,6 |
638,7 |
606,7 |
580,1 |
550,5 |
||
Число Маха на выходе из СА |
Mc1 |
- |
0,950 |
0,913 |
0,687 |
0,652 |
0,654 |
||
Температура заторможенного потока на РЛ |
T1w* |
К |
1313,6 |
1104,5 |
975,3 |
888,9 |
802,0 |
||
Предел длительной прочности |
??t |
принимается |
МПа |
285 |
435 |
210 |
240 |
210 |
|
Напряжения растяжения в корне РЛ |
?р |
МПа |
103,6 |
177,4 |
67,8 |
90,2 |
119,5 |
||
Коэффициент запаса |
n |
- |
2,8 |
2,5 |
3,1 |
2,7 |
1,8 |
||
Материал |
принимается |
ЖС6К |
ЖС6К |
ЭИ893Л |
ЭИ607 |
ЭИ572 |
|||
Ширина РЛ на среднем диаметре |
Bpcp |
принимается |
мм |
27,4 |
33,0 |
30,4 |
39,1 |
45,6 |
|
Передний осевой зазор |
S1 |
принимается |
мм |
11,0 |
13,2 |
12,2 |
15,6 |
18,2 |
|
Ширина сопел на среднем диаметре |
Bccp |
принимается |
мм |
24,0 |
38,5 |
30,4 |
39,1 |
49,6 |
|
Задний осевой зазор |
S2 |
принимается |
мм |
19,7 |
23,8 |
15,8 |
21,9 |
32,8 |
2.2 Расчет закона закрутки первой ступени турбины компрессора
В первой ступени турбины компрессора принимаем обратный закон закрутки rtg?1=const, hu(r)=const. Целью этого закона является пропуск большего расхода у корня для снижения градиента реактивности по радиусу и уменьшение диапазона изменения угла ?1, что важно при проектировании охлаждаемых рабочих лопаток.
Расчет сведен в табл. 2.2
Таблица 2.2
Расчет закона закрутки первой ступени турбины компрессора
Наименование величины |
Формула |
Обозна-чение |
Размер-ность |
Сечение |
|||
Корн. |
Средн. |
Периф. |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Относительный радиус |
- |
0,89 |
1,00 |
1,11 |
|||
Угол выхода потока из сопел |
?1 |
град |
17,8 |
16,0 |
14,5 |
||
Осевая составляющая скорости за СА |
C1a |
м/с |
223,3 |
181,4 |
150,1 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C1u |
м/с |
695,1 |
632,6 |
579,4 |
||
Скорость газа на выходе из сопел |
C1 |
м/с |
730,1 |
658,1 |
598,5 |
||
Осевая составляющая скорости за РЛ |
C2a |
м/с |
150,0 |
150,0 |
150,0 |
||
Окружная скорость |
U1 |
м/с |
309,3 |
346,5 |
383,7 |
||
Окружная скорость |
U2 |
м/с |
318,6 |
356,9 |
395,1 |
||
Адиабатический теплоперепад в соплах |
hcад |
кДж/кг |
277,5 |
225,5 |
186,5 |
||
Термодинамическая степень реактивности |
?т |
- |
0,08 |
0,25 |
0,38 |
||
Угол входа потока на РЛ |
?1 |
град |
30,1 |
32,4 |
37,5 |
||
Скорость входа потока на РЛ |
W1 |
м/с |
445,8 |
338,8 |
246,7 |
||
Скорость выхода потока из РЛ |
W2 |
м/с |
470,1 |
489,1 |
510,8 |
||
Угол выхода потока из РЛ |
?2 |
град |
18,6 |
17,9 |
17,1 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W2u |
м/с |
445,5 |
465,5 |
488,2 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
м/с |
127,0 |
108,7 |
93,1 |
||
Угол выхода потока за РЛ |
?2 |
град |
49,8 |
54,1 |
58,2 |
||
Кинематическая степень реактивности |
?кин |
- |
0,08 |
0,24 |
0,37 |
||
Удельная работа на ободе |
hн |
кДж/кг |
178,4 |
184,2 |
189,4 |
||
Скорость выхода потока |
C2 |
м/с |
196,5 |
185,2 |
176,5 |
||
Статическая температура за СА |
T1 |
К |
1226,3 |
1267,0 |
1297,4 |
||
Статическое давление за СА |
P1 |
МПа |
0,9514 |
1,0982 |
1,2190 |
||
Температура заторможенного потока за РЛ |
T1w* |
К |
1307,1 |
1313,6 |
1322,1 |
||
Скорость звука на выходе из СА |
a1 |
м/с |
681,4 |
692,6 |
700,8 |
||
Число Маха на выходе из СА |
с1/а1 |
Mc1 |
- |
0,98 |
0,93 |
0,85 |
|
Число Маха на входе в РК |
w1/a1 |
M1w |
- |
0,65 |
0,49 |
0,35 |
По результатам расчета закона закрутки построены треугольники скоростей (рис.2.2) и графики изменения реактивности, углов и скоростей потока по радиусу ступени (рис. 2.3-2.5).
2.3 Расчет закона закрутки второй ступени турбины компрессора
Во второй ступени турбины компрессора также принимаем обратный закон закрутки rtg?1=const, hu(r)=const.
Расчет сведен в табл. 2.3
Таблица 2.3
Расчет закона закрутки второй ступени турбины компрессора
Наименование величины |
Формула |
Обозна-чение |
Размер-ность |
Сечение |
|||
Корн. |
Средн. |
Периф. |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Относительный радиус |
- |
0,84 |
1,00 |
1,16 |
|||
Угол выхода потока из сопел |
?1 |
град |
18,9 |
16,0 |
13,9 |
||
Осевая составляющая скорости за СА |
C1a |
м/с |
221,7 |
160,8 |
121,5 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C1u |
м/с |
648,0 |
560,6 |
492,2 |
||
Скорость газа на выходе из сопел |
C1 |
м/с |
684,9 |
583,2 |
507,0 |
||
Осевая составляющая скорости за РЛ |
C2a |
м/с |
160,0 |
160,0 |
160,0 |
||
Окружная скорость |
U1 |
м/с |
310,5 |
370,5 |
430,4 |
||
Окружная скорость |
U2 |
м/с |
318,6 |
380,1 |
441,6 |
||
Адиабатический теплоперепад в соплах |
hcад |
кДж/кг |
244,2 |
177,1 |
133,8 |
||
Термодинамическая степень реактивности |
?т |
- |
0,01 |
0,28 |
0,46 |
||
Угол входа потока на РЛ |
?1 |
град |
33,3 |
40,2 |
63,0 |
||
Скорость входа потока на РЛ |
W1 |
м/с |
403,8 |
249,0 |
136,3 |
||
Скорость выхода потока из РЛ |
W2 |
м/с |
387,7 |
424,6 |
468,1 |
||
Угол выхода потока из РЛ |
?2 |
град |
24,4 |
22,1 |
20,0 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W2u |
м/с |
353,1 |
393,3 |
440,0 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
м/с |
34,6 |
13,2 |
-1,6 |
||
Угол выхода потока за РЛ |
?2 |
град |
78,8 |
85,3 |
90,6 |
||
Кинематическая степень реактивности |
?кин |
- |
0,01 |
0,26 |
0,43 |
||
Удельная работа на ободе |
hн |
кДж/кг |
193,0 |
205,4 |
215,3 |
||
Скорость выхода потока |
C2 |
м/с |
163,7 |
160,5 |
160,0 |
||
Статическая температура за СА |
T1 |
К |
1239,0 |
1295,1 |
1331,2 |
||
Статическое давление за СА |
P1 |
МПа |
0,9957 |
1,2097 |
1,3654 |
||
Температура заторможенного потока за РЛ |
T1w* |
К |
1309,9 |
1322,1 |
1339,3 |
||
Скорость звука на выходе из СА |
a1 |
м/с |
681,4 |
692,6 |
700,8 |
||
Число Маха на выходе из СА |
с1/а1 |
Mc1 |
- |
1,01 |
0,84 |
0,72 |
|
Число Маха на входе в РК |
w1/a1 |
M1w |
- |
0,59 |
0,36 |
0,19 |
По результатам расчета закона закрутки построены треугольники скоростей (рис.2.6) и графики изменения реактивности, углов и скоростей потока по радиусу ступени (рис. 2.7-2.9).
2.4 Расчет закона закрутки первой ступени силовой турбины
Для первой ступени силовой турбины выбираем закон постоянства циркуляции С1ur 2=const, С1а(r)=constРасчет сведен в табл. 2.4.
Таблица 2.4
Расчет закона закрутки первой ступени силовой турбины
Наименование величины |
Формула |
Обозна-чение |
Размер-ность |
Сечение |
|||
Корн. |
Средн. |
Периф. |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Относительный радиус |
- |
0,868 |
1,000 |
1,132 |
|||
Угол выхода потока из сопел |
?1 |
град |
18,5 |
21,0 |
23,4 |
||
Осевая составляющая скорости за СА |
C1a |
м/с |
149,3 |
149,3 |
149,3 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C1u |
м/с |
446,9 |
389,0 |
344,4 |
||
Скорость газа на выходе из сопел |
C1 |
м/с |
471,2 |
416,6 |
375,4 |
||
Осевая составляющая скорости за РЛ |
C2a |
м/с |
155 |
155 |
155 |
||
Окружная скорость |
U1 |
м/с |
223,4 |
257,5 |
291,5 |
||
Окружная скорость |
U2 |
м/с |
225,7 |
260,1 |
294,4 |
||
Адиабатический теплоперепад в соплах |
hcад |
кДж/кг |
115,6 |
90,4 |
73,4 |
||
Термодинамическая степень реактивности |
?т |
- |
0,130 |
0,320 |
0,448 |
||
Угол входа потока на РЛ |
?1 |
град |
33,7 |
48,6 |
70,5 |
||
Скорость входа потока на РЛ |
W1 |
м/с |
268,7 |
199,0 |
158,4 |
||
Скорость выхода потока из РЛ |
W2 |
м/с |
299,0 |
340,0 |
382,6 |
||
Угол выхода потока из РЛ |
?2 |
град |
31,2 |
27,1 |
23,9 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W2u |
м/с |
255,7 |
302,6 |
349,8 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
м/с |
30,0 |
42,5 |
55,4 |
||
Угол выхода потока за РЛ |
?2 |
град |
79,0 |
74,7 |
70,3 |
||
Кинематическая степень реактивности |
?кин |
- |
0,067 |
0,327 |
0,504 |
||
Удельная работа на ободе |
hн |
кДж/кг |
107,1 |
111,6 |
117,1 |
||
Скорость выхода потока |
C2 |
м/с |
157,9 |
160,7 |
164,6 |
||
Статическая температура за СА |
T1 |
К |
936,0 |
957,6 |
972,2 |
||
Статическое давление за СА |
P1 |
МПа |
0,2864 |
0,3152 |
0,3359 |
||
Температура заторможенного потока за РЛ |
T1w* |
К |
968,3 |
975,3 |
983,4 |
||
Скорость звука на выходе из СА |
a1 |
м/с |
599,8 |
606,7 |
611,3 |
||
Число Маха на выходе из СА |
с1/а1 |
Mc1 |
- |
0,786 |
0,687 |
0,614 |
|
Число Маха на входе в РК |
w1/a1 |
M1w |
- |
0,448 |
0,328 |
0,259 |
По результатам расчета закона закрутки построены треугольники скоростей (рис.2.10) и графики изменения реактивности, углов и скоростей потока по радиусу ступени (рис. 2.11-2.13).
2.5 Расчет закона закрутки второй ступени силовой турбины
Для второй ступени силовой турбины выбираем закон постоянства циркуляции С1ur 2=const, С1а(r)=const.
Расчет сведен в табл. 2.5.
Таблица 2.5
Расчет закона закрутки второй ступени силовой турбины
Наименование величины |
Формула |
Обозна-чение |
Размер-ность |
Сечение |
|||
Корн. |
Средн. |
Периф. |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Относительный радиус |
- |
0,837 |
1,000 |
1,163 |
|||
Угол выхода потока из сопел |
?1 |
град |
20,5 |
24,0 |
27,3 |
||
Осевая составляющая скорости за СА |
C1a |
м/с |
153,9 |
153,9 |
153,9 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C1u |
м/с |
411,6 |
345,6 |
298,0 |
||
Скорость газа на выходе из сопел |
C1 |
м/с |
439,5 |
378,3 |
335,4 |
||
Осевая составляющая скорости за РЛ |
C2a |
м/с |
170 |
170 |
170 |
||
Окружная скорость |
U1 |
м/с |
223,0 |
266,5 |
310,1 |
||
Окружная скорость |
U2 |
м/с |
225,7 |
269,8 |
313,8 |
||
Адиабатический теплоперепад в соплах |
hcад |
кДж/кг |
100,5 |
74,5 |
58,6 |
||
Термодинамическая степень реактивности |
?т |
- |
0,1364 |
0,360 |
0,497 |
||
Угол входа потока на РЛ |
?1 |
град |
39,2 |
62,8 |
94,5 |
||
Скорость входа потока на РЛ |
W1 |
м/с |
243,5 |
173,0 |
154,4 |
||
Скорость выхода потока из РЛ |
W2 |
м/с |
286,7 |
320,4 |
354,9 |
||
Угол выхода потока из РЛ |
?2 |
град |
36,4 |
32,0 |
28,6 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W2u |
м/с |
230,8 |
271,6 |
311,6 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
м/с |
5,1 |
1,8 |
-2,3 |
||
Угол выхода потока за РЛ |
?2 |
град |
88,3 |
89,4 |
90,8 |
||
Кинематическая степень реактивности |
?кин |
- |
0,088 |
0,355 |
0,516 |
||
Удельная работа на ободе |
hн |
кДж/кг |
93,5 |
93,2 |
92,2 |
||
Скорость выхода потока |
C2 |
м/с |
170,1 |
170,0 |
170,0 |
||
Статическая температура за СА |
T1 |
К |
853,1 |
875,5 |
889,3 |
||
Статическое давление за СА |
P1 |
МПа |
0,1885 |
0,2101 |
0,2243 |
||
Температура заторможенного потока за РЛ |
T1w* |
К |
879,7 |
888,9 |
899,9 |
||
Скорость звука на выходе из СА |
a1 |
м/с |
572,6 |
580,1 |
584,6 |
||
Число Маха на выходе из СА |
с1/а1 |
Mc1 |
- |
0,767 |
0,652 |
0,574 |
|
Число Маха на входе в РК |
w1/a1 |
M1w |
- |
0,425 |
0,298 |
0,264 |
По результатам расчета закона закрутки построены треугольники скоростей (рис.2.13) и графики изменения реактивности, углов и скоростей потока по радиусу ступени (рис. 2.14-2.16).
2.6 Расчет закона закрутки последней ступени силовой турбины
Для последней ступени силовой турбины выбираем закон постоянства циркуляции С1ur 2=const, С1а(r)=const. Он характеризуется малым изменением угла выхода потока по высоте ступени, что благотворно сказывается при обтекании стоек и на работе диффузора.
Расчет сведен в табл. 2.6.
Таблица 2.6
Расчет закона закрутки последней ступени силовой турбины
Наименование величины |
Формула |
Обозна-чение |
Размер-ность |
Сечение |
|||
Корн. |
Средн. |
Периф. |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Относительный радиус |
- |
0,801 |
1,000 |
1,199 |
|||
Угол выхода потока из сопел |
?1 |
град |
23,2 |
28,0 |
32,4 |
||
Осевая составляющая скорости за СА |
C1a |
м/с |
169,1 |
169,1 |
169,1 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C1u |
м/с |
395,0 |
318,0 |
266,3 |
||
Скорость газа на выходе из сопел |
C1 |
м/с |
429,7 |
360,2 |
315,4 |
||
Осевая составляющая скорости за РЛ |
C2a |
м/с |
200 |
200 |
200 |
||
Окружная скорость |
U1 |
м/с |
222,2 |
277,2 |
332,3 |
||
Окружная скорость |
U2 |
м/с |
225,7 |
281,6 |
337,5 |
||
Адиабатический теплоперепад в соплах |
hcад |
кДж/кг |
96,1 |
67,5 |
51,8 |
||
Термодинамическая степень реактивности |
?т |
- |
0,1744 |
0,420 |
0,555 |
||
Угол входа потока на РЛ |
?1 |
град |
44,4 |
76,4 |
111,3 |
||
Скорость входа потока на РЛ |
W1 |
м/с |
241,8 |
173,9 |
181,5 |
||
Скорость выхода потока из РЛ |
W2 |
м/с |
299,0 |
340,0 |
382,6 |
||
Угол выхода потока из РЛ |
?2 |
град |
42,0 |
36,0 |
31,5 |
||
Окружная проекция относительной скорости |
W2u |
м/с |
222,3 |
274,9 |
326,2 |
||
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
м/с |
-3,4 |
-6,7 |
-11,4 |
||
Угол выхода потока за РЛ |
?2 |
град |
91,0 |
91,9 |
93,3 |
||
Кинематическая степень реактивности |
?кин |
- |
0,103 |
0,414 |
0,582 |
||
Удельная работа на ободе |
hн |
кДж/кг |
87,7 |
87,0 |
85,4 |
||
Скорость выхода потока |
C2 |
м/с |
200,0 |
200,1 |
200,3 |
||
Статическая температура за СА |
T1 |
К |
763,6 |
788,3 |
801,9 |
||
Статическое давление за СА |
P1 |
МПа |
0,1147 |
0,1311 |
0,1409 |
||
Температура заторможенного потока за РЛ |
T1w* |
К |
789,9 |
802,0 |
816,8 |
||
Скорость звука на выходе из СА |
a1 |
м/с |
541,8 |
550,5 |
555,2 |
||
Число Маха на выходе из СА |
с1/а1 |
Mc1 |
- |
0,793 |
0,654 |
0,568 |
|
Число Маха на входе в РК |
w1/a1 |
M1w |
- |
0,446 |
0,316 |
0,327 |
По результатам расчета закона закрутки построены треугольники скоростей (рис.2.17) и графики изменения реактивности, углов и скоростей потока по радиусу ступени (рис. 2.18-2.20).
2.7 Расчёт потерь энергии, КПД и мощности турбин
После выполнения расчета закрутки произведен приближенный расчет потерь энергии по принятым значениям коэффициентов c и р. В общие потери энергии входят профильные потери, вторичные потери, потери от перетекания в радиальном зазоре. Профильные потери энергии были определены для средних сечений венцов. Результаты расчёта сведены в таблицу 2.4.
Таблица 2.7
Расчёт потерь энергии, КПД и мощности турбин
Наименование величины |
Формула |
Обоз-наче-ние |
Раз-мер-ность |
ТВД |
СТ |
||||
1ст. |
2ст. |
1ст. |
2ст. |
3ст. |
|||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
Профильные потери в СА |
?hcпр |
кДж/кг |
8,9 |
7,0 |
3,6 |
3,0 |
2,7 |
||
Профильные потери в РК |
?hpпр |
кДж/кг |
12,9 |
9,7 |
6,1 |
5,5 |
6,2 |
||
Концевые потери в СА |
?hcконц |
кДж/кг |
2,5 |
1,7 |
0,7 |
0,7 |
0,7 |
||
Концевые потери в РК |
?hpконц |
кДж/кг |
2,0 |
1,7 |
1,1 |
1,2 |
1,4 |
||
Потери от перетеканий в рад. зазоре РЛ |
?hpзаз |
кДж/кг |
0 |
2,66 |
1,36 |
1,12 |
1,01 |
||
Потери от перетеканий в рад. зазоре СА |
?hсзаз |
кДж/кг |
1,1 |
1,0 |
0,6 |
0,6 |
0,7 |
||
Общие потери на ободе в ступени |
??h |
кДж/кг |
27,4 |
23,8 |
13,4 |
12,1 |
12,8 |
||
Исполь-ый теплоперепад в ступени |
hи |
кДж/кг |
273 |
222 |
119 |
104 |
103 |
||
Внутренний КПД ступени на ободе |
?? |
- |
0,90 |
0,90 |
0,89 |
0,89 |
0,89 |
||
Суммарный теплоперепад |
Hu |
кДж/кг |
495,4 |
327,4 |
|||||
КПД турбины без потерь на трение |
?uт |
- |
0,906 |
0,895 |
|||||
Потери на трение |
принимается |
?тр |
- |
0,99 |
|||||
Внутренний КПД турбины |
?т |
- |
0,897 |
0,886 |
|||||
Общая мощность турбины |
Nт |
кВт |
23502,1 |
15913,7 |
3. Расчеты на прочность рабочей лопатки третьей ступени ССТ
Наиболее нагруженными элементами турбины являются рабочие лопатки и диски роторов. Требования, предъявляемые к лопаткам, отражают как их функциональное назначение, так и их влияние на общую надежность ГТУ [3]:
- рабочая часть лопатки должна иметь и сохранять в работе форму, обеспечивающую минимум аэродинамических потерь обтекающего их потока;
- лопатки должны быть устойчивы к воздействию эксплуатационных факторов: пылевой и капельной эрозии, высокотемпературной газовой коррозии, колебаниям температуры и др.;
- лопатки должны быть надежны, т.е. должны работать без разрушения в течение заданного срока службы.
По источникам силовых факторов различают газодинамические и инерционные силы. По изменению во времени - статические и динамические.
Газодинамические силы обусловлены взаимодействием пера лопаток с потоком рабочего тела. Они распределены по поверхности лопаток.
Инерционные (центробежные) силы обусловлены центробежным ускорением масс элементарных объемов лопатки при ее вращении вместе с ротором. Они распределены по объему лопатки. И те, и другие силы обычно считают статическими, т.е. не меняющимися во времени.
При наличии градиентов температуры в лопатке возникают температурные напряжения.
В колеблющейся лопатке развиваются переменные во времени - динамические напряжения.
Для упрощенных оценочных расчетов максимальных напряжений в корневом сечении рабочей лопатки последней ступени силовой турбины принимается формула:
где Кф=0,48…0,54 - коэффициент формы лопатки.
Основные напряжения в дисках возникают вследствие центробежных сил инерции, обусловленных вращением ротора (динамические напряжения), и неравномерного распределения температуры по объему диска (температурные напряжения).Также диск нагружен центробежными силами лопаток, закрепленных на этом диске. Напряжённое состояние диска зависит от многих показателей, в том числе от частоты вращения, материала диска, его формы и размера, распределения температуры по радиусу диска и др. Профиль корневого сечения, необходимый для расчета, представлен на рисунке 3.1. Расчет на прочность рабочей лопатки последней ступени ССТ сведен в табл. 3.1, координаты опасных точек и напряжения в них в табл. 3.2.
Расчет на прочность рабочей лопатки последней ступени ССТ
Таблица 3.1
Наименование величины |
Обозна чение |
Формула |
Размер ность |
Величии на |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Высота лопатки |
lp |
Из таблицы 2.1 |
м |
0,198 |
|
Радиус в корне |
Rк |
м |
0,400 |
||
Радиус в периферии |
Rп |
м |
0,598 |
||
Площадь сечения в корне |
Fк |
Из приложения 1 |
мм2 |
288,64 |
|
Площадь сечения в периферии |
Fп |
Из приложения 1 |
мм2 |
120,3714 |
|
Абсцисса центра тяжести |
Xц.т |
Из приложения 1 |
мм |
70,08 |
|
Ордината центра тяжести |
Уц.т. |
Из приложения 1 |
мм |
83,68 |
|
Момент инерции относительно оси х |
Ix |
Из приложения 1 |
мм4 |
2027313,66 |
|
Момент инерции относительно оси у |
Iy |
Из приложения 1 |
мм4 |
1449052,11 |
|
Полный момент инерции относительно осей ху |
Ixy |
Из приложения 1 |
мм4 |
1686315,8 |
|
Момент инерции относительно оси х1 |
Ix1 |
мм4 |
6157,55 |
||
Момент инерции относительно оси у1 |
Iy1 |
мм4 |
31481,49 |
||
Полный момент инерции относительно осей х1у1 |
Ix1y1 |
мм4 |
-6354,14 |
||
Максимальный момент инерции |
?? |
мм4 |
32986,41 |
||
Минимальный момент инерции |
?? |
мм4 |
4652,64 |
||
Угол ориентации главных центральных осей |
? |
град |
-0,233 |
||
Коэффициент формы |
m |
Принимаем |
- |
0,5 |
|
Плотность материала лопатки |
? |
Принимаем |
кг/м3 |
7800 |
|
Угловая частота вращения ротора |
? |
Пn/30 |
рад/с |
564,5 |
|
ЦБС лопатки |
Cк |
Н |
42304,97 |
||
Напряжения растяжения |
?цбс |
МПа |
146,6 |
||
Число лопаток в РЛ |
Zл |
Из таблицы 2.7 |
шт |
80 |
|
Расход газа через турбину |
Gт |
Из предварительного расчета |
кг/с |
54,85 |
|
Окружная проекция абсолютной скорости |
С1u |
Из таблицы 2.6 |
м/с |
395,0 |
|
Окружная проекция абсолютной скорости |
C2u |
Из таблицы 2.6 |
м/с |
-3,4 |
|
Статическое давление перед РЛ |
Р1 |
Из таблицы 2.6 |
МПа |
114710,2 |
|
Статическое давление за РЛ |
Р2 |
Из таблицы 2.6 |
Па |
93741,9 |
|
Изгибающий момент относительно главных центральных осей |
Mx1 |
Н.м |
26,6 |
||
Изгибающий момент относительно главных центральных осей |
My1 |
Н.м |
82,4 |
||
Главный изгибающий момент |
M? |
Н.м |
86,3 |
||
Главный изгибающий момент |
M? |
Н.м |
6,9 |
||
Координата опасной точки А |
? |
Из таблицы 3.2 |
мм |
-15,28 |
|
Координата опасной точки |
? |
Из таблицы 3.2 |
мм |
-9,65 |
|
Напряжения изгиба |
?гдс |
МПа |
-25,7 |
||
Суммарные напряжения |
?? |
МПа |
120,9 |
||
Предел дл. прочности |
??t |
По [4] для 20Х13Ш |
МПа |
450 |
|
Коэффициент запаса |
n |
- |
3,72 |
Координаты опасных точек Таблица 3.2
Опасные точки |
Координаты опасных точек |
Напряжения, МПа |
Коэф. запаса прочнос-ти |
||||
?, мм |
?, мм |
?цбс |
?гдс |
?? |
n |
||
А |
-15,28 |
-9,65 |
146,6 |
-25,7 |
120,9 |
3,72 |
|
А' |
-17,02 |
-7,92 |
146,6 |
-32,8 |
113,8 |
3,95 |
|
B |
25,08 |
-8,52 |
146,6 |
78,3 |
224,8 |
2,11 |
|
B' |
25,76 |
-7,82 |
146,6 |
79,0 |
225,6 |
2,00 |
|
C |
-2,17 |
7,43 |
146,6 |
-16,7 |
129,9 |
3,47 |
Коэффициент запаса прочности во всех опасных точках больше 2.0, что удовлетворяет условиям прочности.
4. Описание конструктивных особенностей ГПА
4.1 Описание конструктивных особенностей двигателя
Двигатель состоит из модуля газотурбинного одноконтурного газогенератора на раме и модуля свободной силовой турбины на раме, соединенных между собой, что позволяет проводить индивидуальную поставку, а также замену двигателя в целом и указанных модулей в условиях эксплуатации. Собранный двигатель на подмоторной раме монтируется на раму ГПА. Кроме того, конструкция двигателя предусматривает замену большинства узлов и деталей горячей части, вплоть до лопаток сопловых аппаратов первой ступени турбины и жаровых труб камеры сгорания, в условиях эксплуатации без полной разборки двигателя.
Для проведения визуально-оптического контроля газовоздушного тракта двигателя на корпусах компрессора и турбины имеются специальные смотровые лючки. Доступны для осмотра жаровые трубы камеры сгорания.
Входное устройство представляет собой спрофилированный канал, обеспечивающий подвод воздуха в компрессор с минимальными потерями.
Газогенератор (ГГ) состоит из следующих узлов:
1) корпуса промывки;
2) корпуса входного с центральным приводом и коробкой приводов;
3) компрессора;
4) камеры сгорания;
5) турбины.
Входной корпус с центральным приводом и коробкой приводов является силовым элементом двигателя. Стойки входного корпуса обогреваются воздухом противообледенительной системы двигателя и горячим маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя.
Компрессор двигателя осевой четырнадцатиступенчатый с регулируемым входным направляющим аппаратом (ВНА) и поворотными направляющими аппаратами (НА) 0-й, 1-й ступеней и 2-й ступени, с управлением радиальными зазорами шести последних ступеней и пневмоуправляемыми клапанами перепуска воздуха из-за 6-й, 7-й и 14-й ступеней. Детали проточной части компрессора имеют эрозионное покрытие.
Ротор компрессора имеет две опоры: переднюю - роликовый подшипник и заднюю - шариковый подшипник, который одновременно служит передней опорой ротора турбины газогенератора; задней опорой ротора турбины газогенератора является роликовый подшипник.
Трубчато-кольцевая камера сгорания с двенадцатью жаровыми трубами и усиленным корпусом работает на газообразной топливной смеси.
Турбина газогенератора - осевая двухступенчатая, охлаждаемая, служит для привода компрессора и через центральный привод - агрегатов установленных на коробке приводов. Турбина имеет усиленный корпус и изготовлена с использованием коррозионностойких и жаропрочных материалов.
Свободная силовая турбина - осевая трехступенчатая служит для привода нагнетателя ГПА и с ротором газогенератора имеет только газодинамическую связь. Охлаждение наружных корпусов турбины осуществляется путем продувки воздухом пространства под защитным экраном ГТУ с помощью вентиляторов системы охлаждения ГПА. Имеется регулируемый сопловой аппарат.
Ротор свободной турбины имеет две опоры: переднюю - роликовый подшипник и заднюю - спаренные шариковый, упорный и роликовый, опорный подшипники.
Модули газогенератора и силовой турбины соединяются друг с другом по ответным наружным фланцам на силовых корпусах ГГ и СТ и узлам подмоторных рам.
Трансмиссия, предназначенная для передачи крутящего момента ротору нагнетателя, через упругие муфты соединяет вал ротора СТ с валом ротора нагнетателя. Для исключения доступа к вращающимся узлам и деталям трансмиссия закрыта защитными вентилируемыми кожухами, которые смонтированы на выходном устройстве.
4.2 Система топливопитания, автоматического управления и контроля
Система топливопитания, автоматического управления и контроля газотурбинной установки предназначена для подачи топлива, автоматического управления и контроля технического состояния ГТУ, входящей в состав газоперекачивающего агрегата, и обеспечивает подачу дозированного топлива в камеру сгорания, управление работой двигателя на запуске, на статических и переходных режимах, а также взаимодействие с другими системами, обеспечивающими работу двигателя в составе ГПА во всех условиях эксплуатации.
Система топливопитания, автоматического управления и контроля состоит из:
- системы топливопитания;
- системы автоматического управления и контроля (САУ) на базе комплекса средств контроля и управления МСКУ-СС 4510-38, включая блок управления двигателем БУД-96 и блок защиты двигателя БЗД-96;
- системы управления механизации компрессора;
- системы управления радиальными зазорами компрессора и турбины;
- системы перепуска газа перед свободной турбиной;
- противообледенительной системы;
- системы контроля ГТУ.
Система топливопитания, автоматического управления и контроля ГТУ обеспечивает топливопитание и выполнение следующих функций:
1) запуск;
2) холодную прокрутку;
3) поддержание заданного статического режима;
4) управление переменными режимами;
5) останов;
6) аварийный останов;
7) ограничение предельных параметров ГТУ;
8) управление механизацией компрессора;
9) управление радиальными зазорами компрессора и турбины;
10) управление перепуском газа перед свободной турбиной;
11) защиту от обледенения;
12) контроль измеряемых параметров;
13) формирование текущей и ретроспективной информации;
14) взаимодействие с системами ГПА;
15) формирование информации об обнаружении неисправностей узлов и систем ГТУ;
16) защиту от раскрутки ротора свободной турбины.
5. Технология эксплуатации ГПА
5.1 Обслуживание ГПА во время работы
После монтажа и наладки газоперекачивающего агрегата должны проводиться испытания по утвержденной типовой методике определения фактических показателей агрегата. Контрольные испытания должны проводиться перед остановкой ГПА на капитальный ремонт и после ремонтов, а также при систематическом отклонении параметров от нормативных, требующем выяснения причин отклонения.
Во время работы ГПА эксплуатационный персонал компрессорного цеха обязан:
1) поддерживать требуемый режим работы газоперекачивающих агрегатов, обеспечивая их наиболее экономичную и рациональную загрузку;
2) следить за показаниями приборов, величина любого ненормального отклонения должна немедленно выясняться для принятия соответствующих мер;
3) поддерживать температуру и давление охлаждающего масла в системе смазки в необходимых пределах;
4) следить за чистотой фильтров в маслосистеме и маслобаке;
5) производить контроль за работой системы уплотнения по уровню масла в поплавковой камере, перепаду давления "масло - газ", расходу масла и загазованности маслосистем;
6) контролировать перепад давления на воздушных фильтрах воздухозаборной камеры, следить за их чистотой; в случае загрязнения или обледенения фильтра воздухозаборная камера подлежит очистке (на остановленном агрегате);
7) производить тщательную уборку агрегата;
8) вести необходимые записи в эксплуатационных документах.
Для обеспечения надежной и безаварийной работы ГПА необходимо особенно тщательно выполнять следующие требования:
1) не допускать повышения температуры продуктов сгорания по тракту ГТУ выше установленной величины;
2) контролировать скорость вращения валов ГПА;
3) поддерживать давление газа за нагнетателем не выше допустимого;
4) поддерживать необходимую степень повышения давления газа в нагнетателе;
5) контролировать:
а) минимально и максимально допустимую объемную производительность нагнетателя;
б) перепад давления на защитной решетке нагнетателя;
в) уровень масла в отсеках маслобака;
г) давление топливного и импульсного газа. Температура масла смазки и металла подшипников должна быть не выше допустимого. Быстрое возрастание температуры в любом из подшипников свидетельствует о его аварийном состоянии, агрегат должен быть остановлен.
Категорически запрещается при пуске или в процессе эксплуатации отодвигать аварийные уставки приборов или отключать защиты ГПА.
Ежемесячно вахтенным персоналом должен производиться осмотр агрегатов и оборудования.
Во время осмотра должны проверяться:
1) воздухозаборные устройства ГПА, воздуховоды и газоходы;
2) газо- и маслопроводы, их соединительные фланцы и арматура;
3) технологическая обвязка нагнетателей, пылеуловители;
4) циркуляционные насосы, водоводы, АВО масла;
5) крепление оборудования, трубопроводов к фундаментам и опорам;
6) наружная изоляция трубопроводов;
7) контрольно-измерительные приборы, устройства регулирования и автоматики;
8) положения шлангов на узлах управления и наличие необходимых плакатов.
Все обнаруженные во время работы оборудования дефекты должны фиксироваться в журнале дефектов и эксплуатационных формулярах. Немедленно должны приниматься меры для устранения неполадок.
Важным параметром конвертированных авиационных и судовых двигателей является время безостановочной работы агрегата. Для продления этого времени необходимо дублировать ряд вспомогательных систем и узлов, таких как фильтры и насосы масляной системы, предусматривать контроль во время работы агрегата и быстрый ремонт в течении кратковременных остановов, таких узлов как форсунки камеры сгорания и проточные части турбомашин.
5.2 Эксплуатация ГПА в холодное время года
Низкие температуры в холодное время года снижают надежность работы агрегатов из-за хладноломкости металла, увеличивают возможность отказов в работе узлов управления газовыми кранами и самих кранов, затрудняют операции по технологическим переключениям цеха, АВО.
Для обеспечения безопасной эксплуатации агрегата при температуре наружного воздуха ниже допустимой по техническим условиям завода изготовителя необходимо включить систему подогрева на всасе осевого компрессора. При низких температурах наружного воздуха может быть достигнута мощность ГПА значительно выше номинальной без превышения максимальной температуры газа перед турбиной. Необходимо следить, чтобы нагрузка агрегата (из условий механической прочности) не превышала мощность предельно допустимую техническими условиями.
При остановке агрегата на срок свыше одного часа и необходимости последующего пуска должен быть включен подогрев масла.
При подготовке компрессорного цеха к эксплуатации в холодное время года должны быть выполнены мероприятия по плану подготовки к осенне-зимней эксплуатации. При этом системы вентиляции и теплоснабжения должны обеспечивать во всех помещениях и других местах расположения маслопроводов, водоводов и прочих коммуникаций температуру не ниже +5°С.
5.3 Эксплуатация ГПА при грозе
Для обеспечения безаварийной работы компрессорного цеха во время грозы руководством предприятия должны быть выполнены следующие мероприятия:
1) налажено через метеослужбу района заблаговременное извещение эксплуатационного персонала КС о возможной грозе.
2) назначена группа ответственных специалистов по обеспечению безаварийной работы компрессорного цеха при грозе в составе начальника КС, старших инженеров ЭВС и КИПиА.
После извещения о возможной грозе должны быть проведены подготовительные работы:
1) проверка отсутствия утечек через запорную арматуру свечей;
2) проверка готовности резервного источника электроснабжения (аварийной электростанции);
3) проверка и подготовка систем и средств пожаротушения на КС.
При грозе в районе КС запрещаются пуск агрегатов и производство плановых переключении на технологической обвязке, а также силовом электрооборудовании компрессорного цеха.
5.4 Предупреждение помпажных режимов осевого компрессора
Неустойчивые режимы осевого компрессора, основными из которых являются вращающийся срыв и помпаж, создают недопустимые усталостные напряжения в лопаточном аппарате, возрастание вибрации и поломки лопаток.
Эксплуатация ГПА в зоне неустойчивых помпажных режимов не разрешается.
Работа агрегата в условиях неустойчивого режима осевого компрессора характеризуется повышением температуры продуктов сгорания перед турбиной при неизменной или понижающейся нагрузке и температуре наружного воздуха, колебанием давления воздуха за компрессором, ненормальным звуком и ударами в проточной части осевого компрессора. При возникновении помпажных явлений агрегат должен быть немедленно остановлен для устранения причин, вызывающих помпаж.
Во время работы ГПА помпажные и неустойчивые режимы осевого компрессора могут возникнуть:
1) при возрастании разряжения на всасе вследствие снегопада или обледенения всасывающего тракта и входного лопаточного аппарата осевого компрессора;
2) при сбросе или резком возрастании нагрузки ГПА;
3) при недостаточной подаче топливного газа вследствие загрязнения и закоксования горелок или загрязнения фильтров на подводе топливного газа;
4) при неудовлетворительном техническом состоянии проточной части турбоагрегата, загрязнении осевого компрессора.
Необходимо обращать внимание на предупреждение помпажных явлений в компрессоре во время повторного пуска, возможность появления которых при горячей проточной части турбоагрегата возрастает.
При наступлении условий возможного обледенения необходимо включать в работу противообледенительные устройства системы подготовки циклового воздуха. Период включения противообледенительных устройств определяется в зависимости от района расположения КС или по показаниям приборов в соответствии с требованиями инструкции завода-изготовителя. Включение и отключение оформляется записью в оперативном журнале и эксплуатационном формуляре ГПА.
Для предотвращения помпажных режимов осевого компрессора в процессе работы ГТУ необходимо следить за показаниями приборов, замеряющих температуру газа перед турбиной и давление воздуха в нагнетании компрессора, давлением топливного газа, скоростью вращения и нагрузкой агрегата, а также отсутствием обледенения на входе в компрессор.
6. Выбор комплектующего оборудования для цеха
В качестве компримируемой машины для транспортировки природного газа выбран двухступенчатый центробежный нагнетатель со сменной проточной частью на степень сжатия 1,38 и давлением на выходе 7,45 МПа. Прототипом для конструкции взят нагнетатель ЦН-16/76 Сумского производственного объединения. Описание конструкции нагнетателя приведено в п. 5.2.
Маслосистемы двигателя и нагнетателя раздельные. Система смазки и суфлирования двигателя предназначена для подачи масла в подшипниковые опоры роторов газогенератора и свободной силовой турбины, зубчатых колес коробки приводов и центрального привода и отвода от них тепла, а также для поддержания избыточного давления в масляных полостях двигателя и маслобаке на всех режимах работы ГТУ. Марка масла для маслосистемы двигателя - МС-8П ОСТ 38.1163-78, для нагнетателя - ТП-22. Чистота заправляемого в маслобак масла не грубее II класса по ГОСТ 17216-71, метод анализа по ОСТ 1.41144-80 и ОСТ 1.80336-86.
В качестве воздухоподготовки применена двухступенчатая система очистки циклового воздуха. В качестве первой ступени очистки применены инерционные сепараторы. В них отделение пыли происходит за счет резкого изменения направления движения. Инерционные сепараторы имеют небольшое сопротивление. Отсепарированная пыль собирается в короб и удаляется с помощью тихоходных центробежных вентиляторов. Отсасывают около 10% поступающего воздуха. В качестве второй ступени очистки для удаления мелкой пыли используется барьерный фильтр из тканевого материала. При возрастании сопротивления фильтра до 300 Па, загрязненный участок перематывается автоматически с помощью электродвигателя.
Также применена система промывки проточной части осевого компрессора при приводе от валоповоротного устройства и при ручной прокрутке.
Принята двойная форма пускового двигателя: электродвигатель и турбодетандер. Его выбор окончательно утверждается при установке ГТУ на конкретную КС. Необходимая мощность электродвигателя составляет не менее 400-500 кВт. При использовании турбодетандера давление пускового газа составляет 0,4…0,5 МПа, противодавление на выходе 0,03…0,05 МПа, расход газа не более 2,0 кг/с, расход газа на один запуск не более 200 кг.
Для снижения шума всаса осевого компрессора применен пропуск воздуха через пластинчатый глушитель из звукопоглощающего материала, а также выполнен воздухоподводящий тракт с несколькими поворотами, снабженными звукопоглощающей облицовкой. Для предохранения от выкрашивания и загрязнения пористый материал покрыт стеклотканью.
Для снижения шума выхлопа турбины также установлены пластинчатые глушители, но выполненные из жаростойкого материала. Поверх волокнистого материала закреплена защитная стеклоткань, а поверх нее - перфорированные тонкие металлические листы.
В качестве очистных устройств технологического газа установлены циклонные пылеуловители и фильтр-сепараторы.
7.Спецтема: проектирование регулируемого соплового аппарата свободной силовой турбины
Регулируемыми параметрами в приводных ГТУ обычно являются частота вращения силовой турбины nст, летом, при недостатке мощности, Тг. В двухкомпрессорных ГТУ иногда регулируемым параметром бывают nнд или nвд.
Для поддержания заданных регулируемых параметров приводные ГТУ имеют от одного до трёх регулирующих факторов[5]. Основной регулирующий фактор- подача топлива. Воздействуя на подачу топлива, можно изменить температуру газа, частоты вращения валов, расход воздуха и т.д. Если кроме топливного клапана, других регулирующих органов нет, то все параметры ГТУ жестко связаны между собой и изменение одного из них вызывает изменение остальных. Наиболее важный второй регулирующий орган - РСА силовой турбины. Его используют для поддержания, кроме мощности, или постоянных оборотов турбокомпрессорного вала, или номинальной температуры газа на выходе из турбины. Число независимо регулируемых параметров равно числу регулирующих факторов. Поворотные направляющие лопатки осевого компрессора в двухвальной ГТУ со свободной турбиной большей частью служат для регулирования только компрессора, так как они оказывают слабое воздействие на выходные параметры ГТУ.
Подобные документы
Назначение, конструкция технологические особенности и принцип работы основных частей газотурбинной установки. Система маслоснабжения ГТУ. Выбор оптимальной степени сжатия воздуха в компрессоре. Тепловой расчет ГТУ на номинальный и переменный режим работы.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 14.05.2015Построение процесса расширения пара в h-s диаграмме. Расчет установки сетевых подогревателей. Процесс расширения пара в приводной турбине питательного насоса. Определение расходов пара на турбину. Расчет тепловой экономичности ТЭС и выбор трубопроводов.
курсовая работа [362,8 K], добавлен 10.06.2010Схема и принцип действия газотурбинной установки. Выбор оптимальной степени повышения давления в компрессоре теплового двигателя из условия обеспечения максимального КПД. Расчет тепловой схемы ГТУ с регенерацией. Расчёт параметров турбины и компрессора.
курсовая работа [478,8 K], добавлен 14.02.2013Описание исследуемой подсистемы "Тепловой двигатель". Расчет процесса сжатия воздуха в компрессоре, камеры сгорания, расширения рабочего тела в турбине. Описание первой, второй и третьей ступеней подсистемы "Теплообменная группа". Энергетический баланс.
курсовая работа [793,4 K], добавлен 03.05.2012Состав продуктов сгорания топливного газа. Расчет осевого компрессора и газовой турбины, цикла, мощности и количества рабочего тела. Определение диаметров рабочих лопаток, числа ступеней. Технические характеристики агрегатов ГТНР-16 и ГПА "Надежда".
курсовая работа [3,1 M], добавлен 16.04.2014Принципиальная схема простейшей газотурбинной установки, назначение и принцип действия; термодинамические диаграммы. Определение параметров сжатого воздуха в компрессоре; расчет камеры сгорания. Расширение дымовых газов в турбине; энергетический баланс.
курсовая работа [356,9 K], добавлен 01.03.2013Построение теплового процесса расширения пара в турбине. Определение расхода охлаждающей воды в конденсаторе. Исследование эффективности ПГУ при многоступенчатом сжатии воздуха в компрессоре. Определение и расчет мощности, развиваемой паровой турбиной.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 27.05.2014Выбор оптимальной степени расширения в цикле газотурбинной установки. Уточненный расчет тепловой схемы. Моделирование осевого компрессора. Газодинамический расчет ступеней турбины по среднему диаметру. Размеры диффузора, входного и выходного патрубков.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 14.06.2015Расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей газотурбинной установки. Определение зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при разных значениях начальных температур воздуха и газа.
курсовая работа [776,2 K], добавлен 11.06.2014Расчет тепловой схемы, коэффициента полезного действия, технико-экономических показателей ГТН–16. Определение расчётных зависимостей внутреннего КПД цикла от степени повышения давления при различных значениях начальных температур воздуха и газа.
контрольная работа [1,5 M], добавлен 07.02.2016