1 Термогазодинамический расчет двигателя

1. Выбор и обоснование мощности двигателя и частоты вращения вала свободной турбины

Задачей курсового проекта является спроектировать приводной газотурбинный двигатель для привода нагнетателя природного газа(НПГ) мощностью 10 МВт. Тогда мощность двигателя необходимая для данного НПГ, обеспечивающая его работу на всех эксплуатационных режимах определяется по зависимости:

где - мощность ГПА;

- коэффициент запаса, =1,05…1,1; принимаем =1,065;

- КПД редуктора, редуктор отсутствует, следовательно =1

МВт.

2. Выбор параметров цикла и обоснование КПД узлов ГТД

Основными параметрами рабочего процесса двигателя при постоянных условиях на входе в ГТД, существенно влияющими на его удельные параметры, является температура газа Тг* и степень повышения давления в компрессоре *.

Температура газа перед турбиной. Увеличение температуры газа перед турбиной Тг* позволяет значительно увеличить удельную мощность двигателя и следовательно, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. Для обеспечения надежной работы турбины при значениях температуры газа (Тг*>1250) возникает потребность в применении охлаждение лопаток турбины. Вновь разрабатываемые перспективные ГТД проектируются с учетом более высоких значений температур.

Для получения нескольких вариантов расчета было выбрано Тг*=1390, 1440, 1490, 1540, 1590 К.

Степень повышения давления в компрессоре. При разработке ГТД на начальных стадиях их развития основным требованием было получение минимальной удельной массы двигателя, что приблизительно соответствует максимуму удельной мощности. Несмотря на благоприятное влияние повышения *на удельные параметры двигателя, применение больших значений * ограничено усложнением конструкции и увеличением массы, габаритов компрессора. Это в свою очередь приводит к росту потерь энергии из-за увеличения относительных радиальных зазоров, уменьшения значения числа Рейнольдса и понижения относительной точности изготовления пера лопатки. При Тг*=1300..1400 К оптимальное значение * в компрессоре, соответствующее максимальной удельной мощности, составляет 7…18. При этом экономические значения, соответствующие минимуму удельного расхода топлива, находиться в интервале 18..40. Для расчета было выбрано *=10,3; 12,3; 13,3; 16,3; 19,3; 24,3; 29,3; 30,3; 32,3; 34,3.

КПД компрессора и турбины. Величина изоэнтропического КПД многоступенчатого компрессора по параметрам заторможенного потока зависит от степени повышения давления в компрессоре и КПД его ступеней:

На расчетном режиме среднее значение КПД ступеней в многоступенчатых осевых компрессорах современных двигателей лежит в пределах =0,88..0,9. Принимаем =0,895.

-КПД компрессора учитывающий потери в его опорах принимают =0,985…0,995 Принимаем =0,995.

Для определения КПД охлаждаемой турбины в зависимости от выбранных значения Тг*, в термогазодинамическом расчете используем соотношение, так как Тг*>1250К:

,

КПД неохлаждаемой турбины лежит обычно в диапазоне η^*_{Т.неохл.}=0,9…0,92, которое принято равным η^*_{Т.неохл.}=0,92.

Результаты расчета КПД компрессора и КПД турбины представлены в таблицах 1.1 и 1.2.

Таблица 1.1- Результаты расчета КПД компрессора

Величина	Значение
*	10,3	12,3	13,3	16,3	19,3	24,3	29,3	30,3	32,3	34,4
	0,852	0,849	0,848	0,844	0,841	0,837	0,834	0,833	0,832	0,831

Таблица 1.2- Результаты расчета КПД турбины

Величина	Значение
Тг*	1390	1440	1490	1540	1590
	0,903	0,896	0,890	0,884	0,878

Потери в элементах проточной части. Входное устройство рассматриваемого двигателя является дозвуковым прямолинейным каналом.

При наличии на входе в двигатель пылезащитных устройств потери полного давления составляют =0,92…0,96. Примем данный параметр равным =0,95.

Потери полного давления в камере сгорания вызываются гидравлическим и тепловым сопротивлением.

Гидравлическое сопротивление определяется в основном потерями в диффузоре, фронтовом устройстве, при смещении струй, при повороте потока ( =0,93..0,97). Принимаем =0,966.

Тепловое сопротивление возникает вследствие подвода тепла к движущемуся газу. Для основных камер сгорания обычно 0,97..0,99.

Принимаем =0,977.

Суммарные потери полного давления в камере сгорания подсчитываются по формуле: = * = 0,966*0,977 = 0,943.

Потери тепла в камере сгорания главным образом связаны с неполным сгоранием топлива и оценивается коэффициентом полноты сгорания . Этот коэффициент на расчетном режиме достигает значений =0,97..0,99. Принимаем =0,990.

Коэффициент восстановления полного давления обычно составляет _р.н =0,97…0,99. Примем σ_р.н =0,975.

Скорость истечения газа из ГТД характеризует потерянную кинетическую энергию на выходе из двигателя, поэтому ее целесообразно было бы уменьшать. С другой стороны при очень малых значениях С чрезмерно растут габариты двигателя из-за большой площади среза выпускного канала. Учитывая, то что проектируемый ГТД будет использоваться как приводной двигатель, выбираем скорость истечения из двигателя в интервале С = 60…100 м/с. Принимаем С = 68 м/с.

С помощью механического КПД учитывают потери мощности в опорах ротора двигателя и отбор мощности на привод вспомогательных агрегатов, обслуживающих двигатель. Эти величины, как правило, не превышают 1..2% общей мощности, передаваемой ротором, поэтому обычно _m=0,98…0,99. Принимаем =0,995.

В качестве топлива принимаем природный газ, так как двигатель предназначен для привода ЦБН. Топливо будем брать из магистрали. Низшая теплотворная способность природного газа = 50500 кДж/кг; - количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма топлива, для газа =17,2 .

После выбора всех исходных данных проводится термогазодинамический расчет ГТД на ЭВМ.

1.3 Термогазодинамический расчет двигателя на ЭВМ

Целью термогазодинамического расчета двигателя является определение основных удельных параметров (удельной мощности и удельного расхода топлива) и расхода воздуха.

Расчет выполняется с помощью ЭВМ, результаты которого представлены в таблице 1.3.-1.4 Это позволяет провести расчет нескольких вариантов с влиянием различного сочетания Тг* и * на удельные параметры двигателя и дает возможность выбрать параметры на расчетном режиме.

Таблица 1.3 – Результаты термогазодинамического расчёта

ТГДР ГТД-Р NT= 1 5 5 1 ДАТА 3. 1. 7

TG= 1430. 1460. 1490. 1520. 1550. ANTK= .898 .894 .890 .886 .883

PIK= 10.30 12.30 13.30 16.30 19.30 ANK = .852 .849 .848 .844 .841

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГТД

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: G= 1.00 DGO= .067 HU= .5050E+08 LO= 17.20

H= .00 MH= .000 CC= 68.0 NTB= .920 ПBB=1.000 TBB=1.000 NB=1.000

SB= .950 SK= .943 NГ= .990 SPT= .987 SPH= .975 NM= .995 NPД=1.000

TH=288.15 THO=288.15 TBO=288.15 PH=101325. PHO=101325. PBO= 96259. VH= .0

ТГ ПК NEY CE NK NTK КПД

1430. 10.30 305.3 .2227 .8520 .8980 .3202

1430. 12.30 307.6 .2130 .8490 .8980 .3346

1430. 13.30 307.6 .2094 .8480 .8980 .3404

1430. 16.30 303.6 .2020 .8440 .8980 .3529

1430. 19.30 296.7 .1978 .8410 .8980 .3604

1460. 10.30 318.8 .2219 .8520 .8940 .3212

1460. 12.30 321.9 .2120 .8490 .8940 .3362

1460. 13.30 322.3 .2084 .8480 .8940 .3421

1460. 16.30 319.3 .2007 .8440 .8940 .3551

1460. 19.30 313.2 .1962 .8410 .8940 .3634

1490. 10.30 332.3 .2213 .8520 .8900 .3221

1490. 12.30 336.3 .2113 .8490 .8900 .3374

1490. 13.30 337.1 .2074 .8480 .8900 .3436

1490. 16.30 335.0 .1996 .8440 .8900 .3571

1490. 19.30 329.6 .1947 .8410 .8900 .3661

1520. 10.30 345.8 .2207 .8520 .8860 .3230

1520. 12.30 350.7 .2105 .8490 .8860 .3386

1520. 13.30 351.8 .2067 .8480 .8860 .3448

1520. 16.30 350.7 .1986 .8440 .8860 .3590

1520. 19.30 346.1 .1935 .8410 .8860 .3683

1550. 10.30 359.6 .2201 .8520 .8830 .3240

1550. 12.30 365.5 .2098 .8490 .8830 .3398

1550. 13.30 367.0 .2059 .8480 .8830 .3463

1550. 16.30 366.8 .1975 .8440 .8830 .3610

1550. 19.30 363.0 .1922 .8410 .8830 .3709

Таблица 1.4 – Результаты термогазодинамического расчёта

ТГДР ГТД-Р NT= 1 5 5 1 ДАТА 3. 1. 7

TG= 1430. 1460. 1490. 1520. 1550. ANTK= .898 .894 .890 .886 .883

PIK= 24.30 29.30 30.30 32.30 34.30 ANK = .837 .834 .833 .832 .831

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГТД

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: G= 1.00 DGO= .067 HU= .5050E+08 LO= 17.20

H= .00 MH= .000 CC= 68.0 NTB= .920 ПBB=1.000 TBB=1.000 NB=1.000

SB= .950 SK= .943 NГ= .990 SPT= .987 SPH= .975 NM= .995 NPД=1.000

TH=288.15 THO=288.15 TBO=288.15 PH=101325. PHO=101325. PBO= 96259. VH= .0

ТГ ПК NEY CE NK NTK КПД

1430. 24.30 281.9 .1947 .8370 .8980 .3661

1430. 29.30 265.2 .1946 .8340 .8980 .3663

1430. 30.30 261.4 .1951 .8330 .8980 .3653

1430. 32.30 254.5 .1959 .8320 .8980 .3639

1430. 34.30 247.4 .1970 .8310 .8980 .3619

1460. 24.30 299.3 .1924 .8370 .8940 .3705

1460. 29.30 283.4 .1917 .8340 .8940 .3718

1460. 30.30 279.8 .1920 .8330 .8940 .3713

1460. 32.30 273.1 .1925 .8320 .8940 .3703

1460. 34.30 266.3 .1933 .8310 .8940 .3688

1490. 24.30 316.7 .1906 .8370 .8900 .3741

1490. 29.30 301.7 .1893 .8340 .8900 .3766

1490. 30.30 298.1 .1894 .8330 .8900 .3764

1490. 32.30 291.7 .1896 .8320 .8900 .3760

1490. 34.30 285.1 .1899 .8310 .8900 .3751

1520. 24.30 334.2 .1889 .8370 .8860 .3775

1520. 29.30 319.9 .1871 .8340 .8860 .3810

1520. 30.30 316.5 .1871 .8330 .8860 .3810

1520. 32.30 310.3 .1871 .8320 .8860 .3811

1520. 34.30 304.0 .1873 .8310 .8860 .3805

1550. 24.30 352.2 .1872 .8370 .8830 .3808

1550. 29.30 338.7 .1849 .8340 .8830 .3855

1550. 30.30 335.4 .1848 .8330 .8830 .3857

1550. 32.30 329.6 .1847 .8320 .8830 .3861

1550. 34.30 323.5 .1848 .8310 .8830 .3861

На основе полученных результатов (таблица 1.3-1.4) строим графики зависимостей N_{e уд}=f(T_г^*, π_к^*) и Се=f(T_г^*, π_к^*).

Рисунок 1.2 – Зависимость удельной мощности и удельного расхода топлива

от параметров рабочего процесса

С учетом использования конструктивных материалов двигателя-прототипа в качестве расчетной выбираем Т^*_г =1490 К.

При Т_г^* = 1490 К рис 1.2. оптимальное значение степени повышения давления в компрессоре _к^*_ОПТ, которое соответствует максимуму удельной мощности, составляет . При этом экономическое значение _к^*_ЭК, соответствующее минимуму расхода топлива, составляет .

Несмотря на благоприятное влияние повышения _к^* на удельные параметры двигателя, применение больших значений _к^* ограничиваются усложнением конструкции, увеличением массы и габаритов двигателя.

Проанализировав как ведут себя основные удельные параметры двигателя при Т_г^*=1490К, можно сделать вывод, что до _к^*=19,3 при незначительном падении удельной мощности существенно снижается удельный расход топлива, при _к^* > 19,3 при незначительном падении удельного расхода существенно снижается удельная мощность. Выберем в качестве расчетного значения _кр^* =19,3.

Произведем термогазодинамический расчет двигателя для выбранного значения Т^*_г и _к^* . Полученные данные и результаты расчета представлены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Результаты термогазодинамического расчёта

ТГДР ГТД-Р NT= 1 1 1 1 ДАТА 3. 1. 7

TG= 1490. 1490. 1490. 1490. 1490. ANTK= .890 .890 .890 .890 .890

PIK= 19.30 19.30 19.30 19.30 19.30 ANK = .839 .839 .839 .839 .839

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГТД

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: G= 1.00 DGO= .067 HU= .5050E+08 LO= 17.20

H= .00 MH= .000 CC= 68.0 NTB= .920 ПBB=1.000 TBB=1.000 NB=1.000

SB= .950 SK= .943 NГ= .990 SPT= .987 SPH= .975 NM= .995 NPД=1.000

TH=288.15 THO=288.15 TBO=288.15 PH=101325. PHO=101325. PBO= 96259. VH= .0

СХЕМА ПЕЧАТИ: NEY NE CE QT AKC GT FC LC

TK TTK TT PK PГ PTK PT PC

NK NTK LK LTK LTB ПTK ПTB ПТ

КПД LCB NP CPГ КГ RГ

CPB KB RB

ТГ=1490.0 ПК=19.300 SR= .000 SR1=1.000 SR2=1.000 TCO= 828.3

328.4 328.4 .1952 .1909E-01 3.046 64.10 .3447E-01 .1309

719.8 1098. 828.3 .1858E+07 .1752E+07 .3913E+06 .1049E+06 .1023E+06

.8390 .8900 .4520E+06 .4778E+06 .3284E+06 4.419 3.728 16.69

.3652 .3651E+06 .9060 1218. 1.309 287.4

1037. 1.383 287.0

Анализируя полученные значения основных удельных параметров и сравнивая их с параметрами прототипа, можно сделать вывод, что данный двигатель более экономичен, чем двигатель-прототип, так как значение удельного расхода топлива на 1,52% меньше чем у прототипа. Определили температуру и давления в характерных сечениях, а также параметры основных узлов. Рассчитанная на 12,8% выше чем у прототипа ( = 328,4 ).

Расход воздуха через двигатель, необходимый для обеспечения заданной мощности:

В данном разделе произведен термогазодинамический расчет, который позволил определить основные параметры рабочего тела вдоль проточной части двигателя; удельные параметры двигателя: его удельную мощность и удельный расход топлива на расчетном режиме, и расход воздуха.

Полученные данные являются исходными для согласования параметров турбокомпрессора, расчёта компрессора и турбины.