Выбор оптимальной степени повышения давления

Омский Государственный Технический Университет

«Кафедра теплоэнергетики»

курсовой проект

по теме:

 

Газотурбинные двигатели

 

Выполнил: студент

группы ПТЭ-313

Горбунов И.П.

Проверил: доцент,

К.Т.Н.

Приходченко А.В.

Омск 2006

Содержание

 

Задание на курсовой проект............................................................... 2

Введение............................................................................................... 3

1.Выбор оптимальной степени повышения давления........................ 6

2. Расчет тепловой схемы ГТУ с регенерацией.................................. 8

3. Расчёт турбины.............................................................................. 12

4. Расчёт компрессора ГТУ............................................................... 21

Литература........................................................................................ 26

 

 

Введение

 

Газотурбинной установкой ГТУ называют тепловой двигатель, состоящий из трёх 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 подаётся 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 учёта 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 изображён 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 изображён 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 котёл-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 котёл 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 ещё находится в стадии разработки.

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

 

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 расчётном режиме работы установки. Для газотурбинной установки с регенерацией КПД определяется по следующей формуле

 

,

(1.1)

где - КПД камеры сгорания; ; - средняя теплоёмкость газов в интервале температур T_c – T_d; - средняя теплоёмкость процесса подвода тепла в камере сгорания; - средняя теплоёмкость 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 определённым интервалом для различных значений степени повышения давления в компрессоре. При этом допустимо пренебречь влиянием изменения теплоёмкости в цикле, т.е. принять . В расчёте 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
0,98	0,94	0,88	0,86		0,275	1,88	3,88		0,2709119
						2,82			0,335199
						3,76			0,3524986
						4,7			0,3544298
						5,64			0,3498361
						6,58			0,3420878
						7,52			0,3327124
						8,46			0,3224826
						9,4			0,3118196

 

Рисунок 1.1.

По построенному графику определяют оптимальную степень повышения давления в компрессоре соответствующую максимальному значению КПД на расчётном режиме работы ГТУ. Данное значение степени повышения давления принимается ε=5 для дальнейших расчётов газотурбинной установки.