Расчет тепловой схемы и тепловой расчет проточной части газотурбинной установки

 

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 2013г.

Реферат

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.

Исходные данные

)Производитель ОАО Невский завод

)Модель: ГТНР - 16

)Мощность: 16 МВТ

)КПД = 32,53%

)Степень повышения давления = 7,05

)Температура газа на выходе = 1213 К

)Температура воздуха = -5°С

)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»:

ПараметрГТНР-16ГПА «Надежда»Номинальная мощность не менее, МВт16,016,3КПД не менее, %32,543Расход выхлопных газов, кг/с10061Температура выхлопных газов за турбиной, °C550550Вид топливаприродный газприродный газРасход топливного газа, кг/с (при Qp н-50 МДж/кг)1,00,88Давление топливного газа, МП1,52,5Частота вращения силового вала, об/мин52005500Масса турбоблока, т6060

1. Расчет тепловой схемы ГТУ

Расчет камеры сгорания

Объемный состав топливного газа:

Месторождение: Бованенское

Таблица 1

Метан CH4Этан C2H6Пропан С3Н8Бутан С4Н10Пентан С5Н12СО2H2SN296,4%2,89%0,05%0,03%0,01%0,22%следы0,43%

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.

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 ?:

(1.17)

Расчет тепловой схемы после окончательного определения ?

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)

. 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

Меридиональная проекция скорости

(2.34)

где - средний диаметр ступени.

Окружная скорость лопаток первой ступени компрессора

(2.35)

Меридиональная проекция скорости первой ступени

(2.36)

(2.37)

(2.38)

(2.39)

(2.40)

Относительные шаги: ; [6].

Коэффициент, зависящий от средней линии и углы выхода потока:

а=0,4

- для рабочих лопаток(2.41)

- для направляющих лопаток(2.42)

Углы атаки принимаем: [1]

Входные углы лопаток

(2.43)

(2.44)

Выходные углы лопаток

(2.45)

(2.46)

Построим в масштабе треугольник скоростей рассчитанной ступени:

Рис.1 - Треугольник скоростей рассчитанной ступени

Т.к. максимальное число Маха достигается у вершин рабочих лопаток, рассчитаем его величину:

Меридиональная проекция скорости первой ступени

(2.47)

Круговая проекция скорости первой ступени

(2.48)

Скорость звука

(2.49)

Число Маха (максимальное)

(2.50)

Расчет последней ступени.

Примем максимальное значение .

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

(3.1.1)

Степень реактивности у корня

(3.1.2)

Степень реактивности на периферии

где радиус корневых сечений лопаток последней ступени равен rzк=dzк/2= 0,6599 /2= 0,3300м

радиус периферийных сечений лопаток последней ступени равен rzп=dzп/2= 0,7987 /2= 0,3994 м

Окружная скорость концов рабочих лопаток последней ступени:

п=*dzп*n= 3,14 * 138,333* 0,7987=347,12м/с

Расчет треугольников скоростей и углов лопаток на среднем квадратичном диаметре

(2.1.4)

Примем

Меридиональная проекция скорости

(3.1.5)

где - средний диаметр ступени.(3.1.6)

Окружная скорость лопаток первой ступени компрессора

(3.1.7)

Меридиональная проекция скорости первой ступени

(3.1.8)

(3.1.9)

(3.1.10)

(3.1.11)

(3.1.12)

Относительные шаги: ; [6].

Коэффициент, зависящий от средней линии и углы выхода потока:

а=0,5

- для рабочих лопаток(3.1.13)

для направляющих лопаток(3.1.14)

Углы атаки принимаем: [1]

Входные углы лопаток:

(3.1.15)

(3.1.16)

Выходные углы лопаток

(3.1.17)

(3.1.18)

Построим в масштабе треугольник скоростей рассчитанной ступени:

Т.к. максимальное число Маха достигается у вершин рабочих лопаток, рассчитаем его величину:

Меридиональная проекция скорости последней ступени

(3.1.21)

Круговая проекция скорости первой ступени

(3.1.22)

Скорость звука

(3.1.23)

Число Маха (максимальное)

. Расчет газовой турбины

Исходные данные:

- начальная температура газов перед турбиной [2];

- конечное давление (за СТ);

отношение давлений в турбине [2];

- расход газа;

Характеристики рабочего тела:

;

= 0,2866кДж/кг

=0,285

Теплоперепад турбины (по параметрам торможения):

(3.1)

Определить параметры газа перед первой и за последней ступенями, приняв примерные величины скоростей и КПД [1]:

- скорость во входном патрубке;

- скорость перед первой ступенью;

- скорость в выходном патрубке

- скорость за последней ступенью;

- КПД входного патрубка;

- КПД выходного патрубка;

- КПД турбины [2].

Давление торможения перед турбиной

(3.2)

Плотность газа перед турбиной (по параметрам торможения):

(3.3)

Потери давления во входном патрубке

(3.4)

Давление торможения перед первой ступенью

(3.5)

Температура газов за турбиной

(3.6)

(3.7)

Температура газов за последней ступенью

(3.8)

Считая, что давление газа за турбиной примерно равно давлению газа за последней ступенью, определить плотность газа за последней ступенью по формуле

(3.9)

Потеря полного давления в выходном патрубке

(3.10)

Давление торможения за последней ступенью

(3.11)

Располагаемый теплоперепад (по параметрам перед первой и за последней ступенями турбины)

(3.12)

где (3.13)

м(3.14)

Частота вращения роторов:

(3.15)

=330,91(3.16)

Располагаемый теплоперепад одной ступени

(3.17)

.

Число ступеней турбины:

(3.18)

Определить коэффициент возврата теплоты и уточнить теплоперепад ступеней

(3.19)

Теплоперепад одной ступени

(3.20)

Предварительная оценка высот лопаток первой и последней ступеней

(3.21)

где - корневой диаметр первой ступени турбины высокого давления (с аналога);

.

Высота направляющих лопаток на входе

(3.22)

Высота лопатки последней ступени

(3.23)

где - периферийный диаметр последней ступени (по аналогу);

- прикорневой диаметр последней ступени.

Площадь проходного сечения последней ступени

(3.24)

Меридиональная скорость за последней ступенью

(3.25)

Найти значение меридиональной скорости за соплами первой ступени, приняв для корневого сечения:

;

- степень реакции [1];

- коэффициент скорости [1].

(3.26)

Меридиональная скорость (у корня первой ступени)

(3.27)

Расчет первой ступени турбины.

Для обеспечения постоянной меридиональной скорости по длине лопатки, необходимо увеличение циркуляции скорости от корневых сечений к периферии одновременно это позволит обеспечить постоянство работы по длине лопаток.

Расчет треугольников скоростей выполним для трех сечений: корневого, среднего и периферийного.

Среднее сечение

Средний диаметр в сечении перед соплами

(3.28)

Допустимо принять: =0,98м

Окружная проекция скорости в корневом сечении

(3.29)

Окружная проекция скорости на среднем диаметре

(3.30)

Окружная и относительная скорости

;(3.31)

; (3.32)

Для упрощения расчета принять

;(3.33)

;(3.34)

(3.35)

Располагаемый теплоперепад в рабочей решетке

(3.36)

Степень реактивности (на среднем диаметре)

(3.37)

Относительная скорость за рабочими лопатками:

(принять коэффициент скорости )

(3.38)

Принять среднюю меридиональную проекцию скорости

(3.39)

вычислить:

(3.40)

(3.41)

(3.42)

Найдем угол из соотношения

(3.43)

Найдем температуру, давление и плотность газа

(3.44)

(3.45)

(3.46)

(3.47)

Диаметр периферийного сечения

(3.48)

где

Уточнить средний диаметр

(3.49)

(3.50)

(3.51)

(3.52)

(3.53)

м(3.54)

где .

Дальнейшие расчеты сведем в таблицу 2:

Таблица 2

ПараметрыЕд. изм.1 ступеньДиаметр сеченияdкdсdпДиаметр dм0.800,981.1Окружная скорость uм/с329,24403,32415,66Окружные проекции скорости:с1uм/с661,32545,29529,88c2uм/с-71,59-53,01-50,64Меридиональные проекции скоростиc1sм/с128,11128,11128,11c2sм/с118,64118,66118,67Угол ?1град.111314Скорость за направляющими лопатками с1м/с673,6560,1545,1Теоретическая скорость за направляющими лопатками с1tм/с690,9574,5559,1Располагаемый теплоперепад направляющих лопаток Н0нкДж/кг235,5161,8153,1Окружная проекция скорости ?1uм/с332,1142,0114,2Угол ?1град.21,142,148,3Относительная скорость ?1м/с355,9191,2171,6Окружная проекция скорости ?2uм/с400,8456,3466,3Угол ?2град.181615Относительная скорость:?2м/с389,7439,0447,9?2tм/с475,3535,4546,3Располагаемый теплоперепад рабочих лопаток H0pкДж/кг49,6125,0134,5Использованный теплоперепад рабочих лопаток HpкДж/кг12,678,185,6Общий располагаемый теплоперепад H0кДж/кг185,936,818,6Степень реактивности ?0,2673,3987,214Угол ?2град.58,8965,9366,89Скорость на выходе из ступени c2м/с138,6130,0129,0Располагаемый теплоперепад по параметрам торможения H*0кДж/кг179,531,513,5Температура газов:T1К878,2934,6942,1T1tК869,6927,5935,1T2К865,7857,0857,0T2tК828,9810,3808,4Давление:P1Па211075,3264590,3272317,9P2Па172349,0160371,1159180,9Плотность газа:?1кг/м30,8400,9901,011?2кг/м30,6960,6540,649?*ui89.688.480.1?oi89.488.379.9ПараметрыЕд. изм.2 ступеньДиаметр сеченияdкdсdпДиаметр dм0,81,021,2Окружная скорость uм/с329,24419,78480,78Окружные проекции скорости:с1uм/с661,32524,94464,94c2uм/с-71,59-49,89-39,89Меридиональные проекции скоростиc1sм/с128,11128,11128,11c2sм/с118,64118,67118,68Угол ?1град.111415Скорость за направляющими лопатками с1м/с673,6540,3500,3Теоретическая скорость за направляющими лопатками с1tм/с690,9554,2534,2Располагаемый теплоперепад направляющих лопаток Н0нкДж/кг235,5150,4130,4Окружная проекция скорости ?1uм/с332,1105,290,2Угол ?1град.21,150,670,6Относительная скорость ?1м/с355,9165,7125,7Окружная проекция скорости ?2uм/с400,8469,7499,7Угол ?2град.181513Относительная скорость:?2м/с389,7450,9470,9?2tм/с475,3549,9600,5Располагаемый теплоперепад рабочих лопаток H0pкДж/кг49,6137,5150,5Использованный теплоперепад рабочих лопаток HpкДж/кг12,687,997,9Общий располагаемый теплоперепад H0кДж/кг185,912,99,9Степень реактивности ?0,26710,66120,561Угол ?2град.58,8967,2087,20Скорость на выходе из ступени c2м/с138,6128,7108,7Располагаемый теплоперепад по параметрам торможения H*0кДж/кг179,57,85,8Температура газов:T1К878,2944,41044,4T1tК869,6937,61037,6T2К865,7857,0837,0T2tК828,9807,8787,8Давление:P1Па211075,3274826,4294826,4P2Па172349,0158813,1138513,1Плотность газа:?1кг/м30,8401,0171,025?2кг/м30,6960,6480,640?*ui89.689.689.6?oi89.489.489.4

Построим в масштабе треугольник скоростей 1 ступени на

Рис.2 - Треугольник скоростей в сечении 1 ступени dk

Построим в масштабе треугольник скоростей 1 ступени на

Рис.3 - Треугольник скоростей в сечении 1 ступени dc

Построим в масштабе треугольник скоростей 1 ступени на

Рис.4 - Треугольник скоростей в сечении 1 ступени dп

Построим в масштабе треугольник скоростей 2 ступени на

Рис.5 - Треугольник скоростей в сечении 2 ступени dk

Построим в масштабе треугольник скоростей 2 ступени на

Рис.6 - Треугольник скоростей в сечении 2 ступени dс

Построим в масштабе треугольник скоростей 2 ступени на

Рис.7 - Треугольник скоростей в сечении 1 ступени dп

Заключение

В результате проведенной работы был рассчитан аналог газотурбинной установки ГТНР-16, мощностью 16 МВт. В ходе выполнения проекта был произведен расчет тепловой схемы ГТУ, камеры сгорания, цикла, расчет мощности и количества рабочего тела. Также был произведен расчет осевого компрессора и газовой турбины, определены количества и диаметры ступеней и высоты рабочих лопаток.

Мощность, развиваемая газовой турбиной, составила 44,264, из которой МВт - мощность, потребляемая компрессором.

Получили 2 ступени турбины.

компрессор газ турбина лопатка

Список использованных источников

1. Антропов П. Г., Соколов А. А., Ларин Е. А.: Турбины ТЭС и АЭС: Методические указания к курсовому проекту. - Саратовский государственный технический университет, 2009.

. Журнал «Теплоэнергетика» №1, 2008 г.

. Волков М. М., Михеев А. Л., Конев К. А.: Справочник работника газовой промышленности. - М.: Недра, 1989. - 286 с.

. Костюк А. Г., Шерстюк А. Н.: Газотурбинные установки: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 1979. - 254 с.

. Шнеэ Я. И.: Газовые турбины (теория и конструкция). - М.: Машгиз, 1960. 560 с.

. Щегляев А. В.: Паровые турбины: Теория теплового процесса и конструкции турбин. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 383 с.

Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический унив

Больше работ по теме: