Расчет тепловой схемы и тепловой расчет проточной части ГТУ

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Кафедра «Теплоэнергетика»

Курсовой проект по дисциплине «Тепловые двигатели и нагнетатели» на тему: «Расчет тепловой схемы и тепловой расчет проточной части ГТУ»

Выполнил: студент группы ПТЭ-41 Кульбачук П.В Проверил: Соколов А. А.

Саратов 2013

 

Реферат

Пояснительная записка содержит: 34 страницы, 7 рисунков, 2 таблицы, 6 использованных источников

ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА, ОСЕВОЙ КОМПРЕССОР, КАМЕРА СГОРАНИЯ, СИЛОВАЯ ТУРБИНА, ТУРБИННАЯ СТУПЕНЬ, РАБОЧАЯ ЛОПАТКА, СОПЛОВАЯ ЛОПАТКА, ТОПЛИВО, ЧИСЛО МАХА, ДАВЛЕНИЕ , ТЕПЛОПЕРЕПАД, УГЛЫ АТАКИ, ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ

Цель работы – расчет тепловой схемы и тепловой расчет проточной части газотурбинной установки, определение диаметров рабочих лопаток, числа ступеней и кпд ступеней лопаток на разных сечениях

 

Содержание

Реферат……………………………………………………………………………...2

Исходные данные…………………………………………………………………..4

Введение…………………………………………………………………………….5

1. Расчет тепловой схемы  ГТУ…………………………………………………….7

2. Расчёт осевого компрессора…………………………………………………...11

3. Расчет газовой турбины………………………………………………………..20

Заключение………………………………………………………………………...33

Список использованных источников…………………………………………….34

 

Исходные данные:

1. Производитель ОАО Невский завод
2. Модель: ГТНР - 16
3. Мощность: 16 МВТ
4. КПД = 32,53%
5. Степень повышения давления = 7,05
6. Температура газа на выходе = 1213 К
7. Температура воздуха = -5°С
8. Месторождение: Бованенское

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Конструкция агрегата ГТНР-16, отвечающего современным требованиям, выбрана так, чтобы сохранить подсоединительные размеры агрегата ГТК-10, для возможности монтажа на место агрегата ГТК-10 без изменения фундамента.

В ГТНР-16 применены такие усовершенствования, как независимая подвеска среднего подшипника ротора, быстросъемные сотовые уплотнения лопаточного аппарата, воздушное охлаждение корпусных деталей, турбины высокого давления, соплового аппарата 1-й ступени и многое другое.

Кроме того, в конструкции ГПА предусмотрена возможность остановки без стравливания газа из контуров нагнетателя и запуска его в работу под полным давлением в контуре. Это значительно улучшает экологическую обстановку на компрессорной станции и обеспечивает экономию природного газа.

В значительной мере сохранены детали и даже узлы агрегата ГТК-10, позволяющие использовать имеющиеся навыки, инструмент и запчасти при проведении профилактических и ремонтных работ.

При исключении регенератора параметры агрегата позволяют использовать его в теплофикационных схемах. Также ГТНР-16 может использоваться для привода электрогенераторов мощностью 10-16 МВт при наличии соответствующего редуктора.

Высокими показателями экономичности, надежности, ресурсными показателями отличается газотурбинный агрегат «Надежда», мощностью 16,3МВт и с КПД 43%, с регенерацией тепла уходящих газов и промежуточным охлаждением в осевом компрессоре. Основные технические характеристики агрегатов ГТНР-16 и ГПА «Надежда» приведены в таблице.

Широкое внедрение агрегатов «Надежда» на КС позволит обеспечить экономию топливно-энергетических ресурсов на 2,5 млн. тонн условного топлива в год.

Основные технические характеристики агрегатов ГТНР-16 и ГПА «Надежда»

Параметр	ГТНР-16	ГПА «Надежда»
Номинальная мощность не менее, МВт	16,0	16,3
КПД не менее, %	32,5	43
Расход выхлопных газов, кг/с	100	61
Температура выхлопных газов за турбиной, °C	550	550
Вид топлива	природный газ	природный газ
Расход топливного газа, кг/с (при Qp н-50 МДж/кг)	1,0	0,88
Давление топливного газа, МП	1,5	2,5
Частота вращения силового вала, об/мин	5200	5500
Масса турбоблока, т	60	60

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Расчет тепловой схемы ГТУ

 Расчет камеры сгорания

Объемный состав топливного газа:

Месторождение: Бованенское

                              Таблица 1

Метан CH4	Этан C2H6	Пропан С3Н8	Бутан С4Н10	Пентан С5Н12	СО2	H2S	N2
96,4%	2,89%	0,05%	0,03%	0,01%	0,22%	следы	0,43%

 

 

Относительная плотность по воздуху:

Удельная теплота сгорания: ;

 

Теоретический расход воздуха, необходимый для сжигания 1нм3 топлива:

 

                      (1.1)

 

Состав продуктов сгорания топливного газа:

 

- трехатомные газы:

 

                                                                      (1.2)

 

- водяные пары:

 

                                                                                                              (1.3)

 

 

 

- свободный кислород:

              (1.4)

 

- свободный азот:

 

            (1.5)

 

- количество сухого воздуха, необходимое  для сжигания 1кг  топлива:

              (1.6)

 

 

 

Расчет цикла

Температура воздуха в конце процесса сжатия:

 

- теоретическая:

278

458,98                                                     (1.7)

- действительная:

                            (1.8)

где – КПД осевого компрессора (принято с аналога) [2];

;  – показатель адиабаты для воздуха;

 – степень повышения  давления в компрессоре [2].

 

Работа, затрачиваемая на сжатие 1кг воздуха в компрессоре:

 

              (1.9)

где – удельная теплоемкость воздуха.

 

Температура газов на входе в газовую турбину:

  [2];

 – показатель адиабаты дымовых газов;

 – коэффициент  потерь в воздушном тракте  и КС;

 – коэффициент  потерь во всасывающем и выходном  трактах;

6,702;

 

 

 

                   (1.10)

где – КПД турбины.

 

Работа расширения 1кг рабочего тела в турбине:

 

                      (1.11)

где – удельная теплоемкость газа.

 

1.3 Расчет мощности и количества  рабочего тела

Энтальпия продуктов сгорания:

                                                                                                                                                 (1.12)

 

Энтальпия топливного газа на входе в КС:

            (1.13)

 

Энтальпия воздуха после компрессора:

  (1.14)

 

Количество теплоты, переданное топливному газу в КС:

=

           (1.15)

где – степень регенерации

 

 

 

 

Количество теплоты, переданное воздуху в КС:

       (1.16)

 

 

 

Уточнить значение α:

 

            (1.17)

 

 

 Расчет тепловой схемы после  окончательного определения α

Расход газа через турбину:

                                           (1.18)

где [2].

 

- эффективная энергия       (1.19)

 

            (1.20)

 

 – коэффициент, учитывающий дополнительные утечки воздуха через уплотнения

 

Расход воздуха, подаваемый компрессором:

                      (1.21)

 

Расход топлива:

                      (1.22)

 

Мощность, развиваемая газовой турбиной:

                      (1.23)

 

Мощность, потребляемая компрессором:

                      (1.24)

 

Коэффициент полезной работы:

0,46       (1.25) 

Эффективный КПД ГТУ:

                                           (1.26)

 

где                          (1.27)

 

 

2. Расчет осевого компрессора

Исходные данные:

 – начальная  температура воздуха перед компрессором (по заданию);

 – начальное  давление воздуха;

 – степень повышения давления в компрессоре [2];

 – расход воздуха, подаваемый компрессором;

 – частота  вращения вала [2];

 – коэффициент аэродинамического  сопротивления проточной части.

Предварительный выбор числа ступеней (с аналога):

 .

Принять осредненное значение для воздуха:

;

– удельная теплоемкость воздуха;

;  – показатель адиабаты для воздуха.

Параметры воздуха перед первой и за последней ступенями компрессора [1]:

 – скорость  во входном патрубке;

 – скорость  перед первой ступенью;

 – скорость  в выходном патрубке;

 – скорость  за последней ступенью;

 – КПД входного  патрубка;

 – КПД выходного  патрубка;

 – КПД компрессора (принято с аналога) [2].

 

Плотность воздуха перед компрессором, по параметрам торможения:

    (2.1)

 

Потеря давления торможения во входном патрубке:

    (2.2)

 

Давление торможения перед первой ступенью:

                        (2.3)

 

Температура воздуха перед первой ступенью:

    (2.4)

 

Давление перед первой ступенью:

                          (2.5)

 

 

Плотность воздуха перед первой ступенью:

    (2.6)

 

Объемный расход воздуха через первую ступень:

    (2.7)

 

Окружная скорость концов рабочих лопаток первой ступени:

(2.8)

 

где – относительный диаметр втулки [1];

 – коэффициент  расхода первой ступени [1].

 

Меридиональная проекция скорости перед первой ступенью:

    (2.8)

 

Диаметры первой ступени:

 – периферийный         (2.9)

 – прикорневой      (2.10)

 

Высота рабочих лопаток первой ступени:

  (2.11)

 

Произведем аналогичную оценку параметров воздуха за последней ступенью и определим ее размеры:

Давление торможения за компрессором:

714341,25      (2.12)

 

Температура торможения за компрессором (по располагаемому теплоперепаду):

  (2.13)

 

 К     (2.14)

 

Плотность воздуха за компрессором (по параметрам торможения):

  (2.15)

 

Потеря полного давления в выходном патрубке:

 

                                                                                               (2.16)

 

Давление торможения за последней ступенью:

            (2.17)

 

Температура воздуха за последней ступенью:

  (2.18)

Давление воздуха за последней ступенью:

       (2.19)

 

Плотность воздуха за последней ступенью:

       (2.20)

 

Прикорневой диаметр рабочей лопатки последней ступени:

     (2.21)

 

где – периферийный диаметр рабочей лопатки последней ступени.

 

Высота рабочей лопатки последней ступени:

  (2.22)

 

Оценка числа ступеней:

Действительный теплоперепад в компрессоре:

  (2.23)

 

Теплоперепад первой ступени:

  (2.24)

 

где                                     (2.25)

 

 

Теплоперепад последней ступени:

  (2.26)

 

где           (2.27)

 

Средний теплоперепад ступеней:

  (2.28)

 

Число ступеней компрессора:

  (2.29)

 

 Расчет первой ступени  осевого компрессора

 

Примем максимальное значение .

Закрутку потока перед рабочим колесом примем в сторону вращения ротора, что позволит уменьшить число Маха:

  (2.30)

 

Степень реактивности у корня:

  (2.31)

 

Степень реактивности на периферии:

  (2.32)

 

Расчет треугольников скоростей и углов лопаток на среднем квадратичном диаметре:

  (2.33)

 

Примем