ГТУ36000. Расчет турбины гту

• Название: Расчет турбины гту
• Дата: 09.01.2023
• Размер: 2.35 Mb.
• Имя файла: ГТУ36000.doc
• Тип: Курсовой проект; #877317
• страница: 1 из 3

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплоэнергетики.

Специальность: «Промышленная теплоэнергетика»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

ПО КУРСУ: «Тепловые двигатели и нагнетатели».

На тему: «Расчет турбины ГТУ»

Руководитель проекта:

Разработала: студент(ка) гр.

Омск 2022

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплоэнергетики.

Специальность: «Промышленная теплоэнергетика»

З АДАНИЕ №

Курсовой проект по курсу: Тепловые двигатели и нагнетатели

Студентке группы ПТЭ-312

2021/2022 учебный год

Тема курсового проекта: «Расчет турбины ГТУ»

Исходные данные: начальная температура газов перед турбиной (по параметрам торможения) Т^*_c=1255 К; конечное давление (по параметрам торможения) Р^*_d =10⁵ Па (1,02ат); отношение давлений в турбине δ=7,0; расход газа G=140кг/с; частота вращения n=50с^-1

Разделы пояснительной записки:

1. 
   Введение.
   
2. 
   Анализ выбранной конструкции.
   
3. 
   Расчет турбины.
   
4. 
   Заключение.
   
5. 
   Литература.
   

Основная рекомендуемая литература:

Руководитель проекта:

Исполнитель проекта: студент(ка) гр.

Омск 2022

Содержание
Введение

1. Выбор оптимальной степени повышения давления в компрессоре ГТУ

2. Расчет тепловой схемы ГТУ с регенерацией

3. Расчет турбины

4. Расчет компрессора ГТУ

Литература

Введение
Газотурбинной установкой ГТУ называют тепловой двигатель, состоящий из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. На рисунке 1 представлена схема простой ГТУ. Принцип действия установки сводится к следующему. Атмосферный воздух сжимается компрессором К и при повышенном давлении подается в камеру сгорания КС, куда одновременно подают жидкое топливо топливным насосом ТН или газообразное топливо от газового компрессора. В камере сгорания воздух разделяется на два потока: один поток в количестве, необходимом для сгорания топлива поступает внутрь жаровой трубы ЖТ; второй – обтекает жаровую трубу снаружи и подмешивается к продуктам сгорания для понижения их температуры. Процесс сгорания в камере происходит при почти постоянном давлении. Получающийся после смешения потоков газ поступает в газовую турбину Т, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу.

Развиваемая турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся часть является полезной мощностью газотурбинной установки.


Рисунок 1
В цикле простой ГТУ газы покидают температуру при высокой температурой, что является основной причиной низкой энергетической эффективности подобных установок. Одним из путей использования теплоты уходящих газов является применение теплообменных аппаратов - регенераторов, в которых уходящие газы отдают часть своей теплоты воздуху, сжатому в компрессоре. Схема ГТУ с регенератором показана на рисунке 2.

Цикл простой ГТУ без учета потерь в воздушном и газовом трактах представлен в T, s - диаграмме на рисунке 3, а. Точка a определяется начальными параметрами воздуха перед компрессором. Линия ab соответствует процессу сжатия воздуха в компрессоре до параметров p_b и T_b, а линия ab' - изоэнтропийному сжатию до того же конечного давления p_b и температуры T_bt. Линией bc изображен процесс изобарического подвода теплоты в камере сгорания. Линия cd соответствует процессу расширения газа в турбине до давления p_d, cd' - изоэнтропийному расширению до того же давления p_d. Линия da - условное замыкание цикла. На самом деле в точке d продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Следует отметить, что изображение всего цикла ГТУ на одной диаграмме условно, поскольку построено для одного неизменного вещества, в то время как процессы, составляющие цикл соответствуют разным веществам. Так в процессе сжатия в качестве рабочего тела выступает воздух, в процессе расширения - продукты сгорания, а процесс в камере сгорания в результате химической реакции протекает при переменном составе рабочей среды. Не смотря на это, условность изображения цикла позволяет с достаточной точностью проводить определение характеристик ГТУ.



Рисунок 2


Рисунок 3
Процесс ГТУ с регенерацией в T, s - диаграмме изображен на рисунке 3, б. Линия be соответствует нагреву воздуха, а линия df - охлаждению продуктов сгорания в регенераторе.

В настоящее время ГТУ применяются для различных целей. Широкое распространение они получили в авиации и дальнем газоснабжении. В авиации газотурбинный двигатель занимает ведущее место, почти полностью вытеснив двигатель внутреннего сгорания. На компрессорных станциях магистральных газопроводов ГТУ используются в качестве двигателей для привода газоперекачивающих компрессоров. При этом топливом служит газ, отбираемый из магистральной линии.

В стационарной энергетике на тепловых электрических станциях применяются ГТУ в качестве резервных и пиковых источников энергии, а также в составе парогазотурбинных установок (ПГУ). В ПГУ отходящие от ГТУ газы подаются в котел-утилизатор, где вырабатывается водяной пар, подаваемый в паровую турбину, которая вырабатывает дополнительную мощность.

ГТУ находят применение также в качестве теплофикационных установок. В этом случае газы из турбины подаются в специальный котел или водяной подогреватель. Уменьшение температуры уходящих газов вызывает значительное возрастание КПД установки, а сама установка оказывается проще и дешевле соответствующей паротурбинной установки.

В промышленности ГТУ широко применяются в доменном производстве для привода воздуходувок, которые подают воздух повышенного давления в печь. При этом топливом для установки служит доменный газ - побочный продукт доменного производства.

В качестве двигателя ГТУ наряду с другими типами двигателей используются на железнодорожном транспорте, в торговом и военно-морском флоте. Автомобиль с газотурбинным двигателем пока еще находится в стадии разработки.

Таким образом, ГТУ является перспективным и широко распространенным тепловым двигателем.

1. Выбор оптимальной степени повышения давления в компрессоре ГТУ
Оптимальная степень повышения давления в компрессоре для выбранной схемы ГТУ определяется из условия обеспечения максимального КПД на расчетном режиме работы установки. Для газотурбинной установки с регенерацией КПД определяется по следующей формуле
, (1.1)
где - КПД камеры сгорания;

; - средняя теплоемкость газов в интервале температур T_c - T_d;

- средняя теплоемкость процесса подвода тепла в камере сгорания;

- средняя теплоемкость воздуха в интервале температур T_b - T_a; ; - степень повышения давления в компрессоре;

- отношение давлений в турбине;

- коэффициент, учитывающий потери давления газа в проточной части установки;

- коэффициент, учитывающий потери давления в воздушном тракте между компрессором и турбиной;

- коэффициент, учитывающий потери давления в системах всасывания воздуха (перед компрессором) и выхлопа газов (за турбиной);

- КПД турбины;

- КПД компрессора;

- показатель изоэнтропы воздуха в процессе сжатия в компрессоре;

- показатель изоэнтропы газов в процессе расширения в турбине.

Методика определения оптимальной степени повышения давления состоит в следующем. По формуле 1.1 определяют КПД установки с определенным интервалом для различных значений степени повышения давления в компрессоре. При этом допустимо пренебречь влиянием изменения теплоемкости в цикле, т.е. принять . В расчете принимают . Результаты сводят в таблицу 1.1 и используют для построения зависимости , представленной на рисунке 1.1.
Таблица 1.1.

n(к.с)	λ	n(т)	n(к)	С(рв/рг)	m(в/г)	δ	t	E	η
0,995	0,99	0,87	0,86	1	0,275	2,97	5,3055556	3	0,401559
						3,96		4	0,432903
						4,95		5	0,446971
						5,94		6	0,453011
						6,93		7	0,454753
						7,92		8	0,453983
						8,91		9	0,451657
						9,9		10	0,448326
						10,89		11	0,444331
						11,88		12	0,439889
						12,87		13	0,435144

Рисунок 1.1
По построенному графику определяют оптимальную степень повышения давления в компрессоре соответствующую максимальному значению КПД на расчетном режиме работы ГТУ. Данное значение степени повышения давления принимается ε = 7 для дальнейших расчетов газотурбинной установки.

2. Расчет тепловой схемы ГТУ с регенерацией
При расчете тепловой схемы ГТУ в качестве топлива принимаем стандартный углеводород (С = 85%, Н = 15%), имеющий следующие характеристики:

теплота сгорания К_т = 36000 кДж / кг;

минимальное необходимое количество воздуха для полного сжигания одного килограмма газа L₀ = 15 кг / кг.

Расчет выполняется в следующем порядке:

1. Определяются параметры процесса сжатия воздуха в компрессоре.

Рассчитывается температура за компрессором:
= 979,26 К =706,26 °С (2.1)
Определяются энтальпии воздуха в начале и конце процесса сжатия:
=258,17 кДж/кг (2.2)

=15 кДж/кг (2.3)
где , и - энтальпии воздуха соответственно при температуре , и стандартной температуре , принятой за начало отчета энтальпий в расчете. Энтальпии определяются по таблице ….(приложение)

Вычисляется средняя теплоемкость воздуха в процессе сжатия:
=1,002 кг/м (2.4)
Уточняется значение m_в:

=0,286 (2.5)
температуру за компрессором и значение энтальпии h_b по формулам 2.1. и 2.2 соответственно.
=530,58 К =257,58 С

=210,58 кДж/кг

=1,002

Определяются параметры воздуха после регенератора
=858,12 К=585,12 °С (2.6)
где температура газов за турбиной определяется по формуле
=842,66 К = 569,66 °С (2.7)
Находится энтальпия воздуха за регенератором
=511,22 кДж/кг (2.8)
Определяется коэффициент избытка воздуха α
=4,68 (2.9)
где

=1630,38 кДж/кг (2.10)

=1141,57 кДж/кг (2.11)
Находится энтальпия газа перед турбиной:

=1520,47 кДж/кг (2.12)
Определяются параметры газа за турбиной

=850,13 кДж/кг (2.13)
где

=896,59 кДж/кг (2.14)

=689,93 кДж/кг (2.15)
Вычисляется средняя теплоемкость газа в процессе расширения

=1,222 кДж/кг К (2.16)
Определяется объемная доля воздуха в продуктах сгорания

=0,927;

=0,77 (2.17)
где , - молекулярные массы воздуха и чистых продуктов сгорания (см. таблицу ….(приложение))

Молекулярная масса продуктов сгорания находится по формуле
=28,97 0,77+28,66 (1-0,77)=28,90 (2.18)
Определяется газовая постоянная продуктов сгорания
=0,288; (2.19)
где R = 8,314 кДж/кг - универсальная газовая постоянная.

Уточненное значение mг рассчитывается по формуле
=0,235 (2.20)
Температура газов за турбиной уточняется по формуле 2.7.

По уточненному значению температуры определяются значения энтальпий воздуха, продуктов сгорания и газовой смеси после турбины по формулам 2.14, 2.15 и 2.13 соответственно.
=842,66 кДж/кг = 569,66 С

=568,35 кДж/кг

=568,35 кДж/кг

= 1520,47 кДж/кг
Работа расширения одного килограмма газа в турбине определяется по формуле
=1520,47-957,46=670,35 кДж/кг (2.21)
Вычисляется работа, затрачиваемая на сжатие одного килограмма воздуха в компрессоре:

=243,17 кДж/кг (2.22)
Работа ГТУ на валу агрегата находится по формуле
=415,99 кДж/кг, (2.23)
где
=0,991 (2.24)

Определяется расход газа через турбину
=5,2*10^-5 кг/с (2.25)
Рассчитывается расход воздуха, подаваемого компрессором
=5,18 кг/с (2.26)
где α_у = 0,005-0,02 - коэффициент, характеризующий дополнительные расходы воздуха на утечки через уплотнения компрессора и турбины.
Расход топлива находится по формуле
=7,31 кг/с (2.27)
Определяется мощность газовой турбины:

=48265 кВт (2.28)

Вычисляется мощность, потребляемая компрессором
=125,92 кВт (2.29)
Коэффициент полезной работы рассчитывается по формуле

=0,997 (2.30)

Определяется коэффициент полезного действия ГТУ (электрический КПД ГТУ)
=0,798 (2.31)