Передвижная энергетическая установка с газотурбинным приводом

Вид работы:

Дипломная (ВКР)
Предмет:

Другое
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

3,23 Mb
Опубликовано:

2011-10-01

Все дипломные работы по другим направлениям

Скачать дипломную работу Читать текст online Заказать дипломную
*Помощь в написании! Посмотреть все дипломные работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Передвижная энергетическая установка с газотурбинным приводом

Передвижная энергетическая установка с газотурбинным приводом

Содержание

Введение

. Термогазодинамический расчет двигателя

.1 Выбор и обоснование параметров расчетного режима

.1.1 Температура газа перед турбиной

.1.2 Степень повышения давления в компрессоре

.1.3 КПД компрессора и турбины

.1.4 Потери в элементах проточной части

.1.5 Скорость истечения газа из выходного устройства

.2 Термогазодинамический расчет двигателя и анализ результатов

.2.1 Предварительный тремогазодинамический расчет

.2.2 Анализ результатов расчета

. Согласование параметров компрессора и турбины

.1 Выбор и обоснование исходных данных для согласования

.2 Формирования облика газогенератора

.3 Анализ результатов расчета

. Газодинамический расчет осевого компрессора

.1 Выбор и обоснование исходных данных для расчета компрессора

.2 Газодинамический расчет компрессора на среднем радиусе

.3 Анализ результатов расчета

. Газодинамический расчет осевой турбины

.1 Выбор и обоснование исходных данных

.2 Газодинамический расчет турбины

.3 Анализ результатов расчета

. Расчёт и профилирование ступени турбины

.1 Расчет параметров потока по радиусу первой ступени турбины

.2 Профилирование решетки рабочего колеса турбины на ЭВМ

.3 Анализ результатов расчета

. Исследование эксплуатационных характеристик двигателя

.1 Исследование климатической характеристики двигателя

.2 Исследование дроссельной характеристики двигателя

.3 Анализ полученных результатов эксплуатационных характеристик

. Проектирование входного и выходного устройств

.1 Расчет входного устройства

.2 Расчет выходного устройства

.3 Анализ результатов расчета

Выводы

Перечень ссылок

Введение

В настоящее время для страны актуальной стала задача обеспечения электрической энергией. С этой проблемой успешно, на совершенном уровне могут справится ГТУ. Обыкновенным паровым электростанциям, у которых генератор вращается паровой турбиной, для выхода на режим необходимо 5 часов, в то время как ГТУ потребует всего 20 минут. Кроме того, небольшая масса энергоустановки может сделать ее мобильной.

Для применения в народном хозяйстве могут использоваться, как специально разрабатываемые ГТУ, так и авиационные двигатели, отработавшие свой летный ресурс. Комплексное использование авиационных ГТД вначале на воздушном транспорте, а затем в наземных установках особенно эффективно, так как в целях обеспечения высокого уровня безопасности полетов летный ресурс авиационных двигателей меньше их располагаемого технического ресурса при рабочих режимах эксплуатации в наземных установках.

Перечень таких установок довольно велик: транспортные наземные установки; транспортные установки морского и речного транспорта; установки для получения сжатого воздуха, используемого в технических целях; в пневмотранспортных системах; системах наддува транспортных средств на воздушной подушке; установки для получения нагретого газа, используемого для обогрева строительных и производственных объектов; в сушильных установках; нефтеперекачивающих установках; в энергокомплексах бурильных установок; в газоструйных установках для очистки от снега, мусора взлетно-посадочных полос аэродромов, транспортных путей и т.д.

Основными требованиями к ГТУ, обусловленными особенностями их использования являются: минимальные габаритные размеры и масса, высокий КПД, благоприятное протекание эксплуатационных характеристик, надежность, технологичность, мобильность.

Целью данного курсового проекта является разработка эскизного проекта передвижной энергоустановки с газотурбинным приводом электрогенератора мощностью 1600 кВт с nген=3000 об/мин. Приводной ГТД разработан на базе существующего ГТД-прототипа АИ-24.

Для достижения этой цели в проекте поставлены и решены следующие задачи:

проведена оценка мощности приводного ГТД;

выбраны и обоснованы параметры цикла ГТУ;

проведено согласование параметров компрессора и турбины,

выполнены:

газодинамический расчет компрессора и турбины;

профилирование ступени турбины;

расчет входного и выходного устройств;

расчет эксплуатационных характеристик.

Параметры ГТД - прототипа АИ-24:

)эффективная мощность Nе=1.88 МВт,

)степень повышения давления в компрессоре πк*=6.4,

)температура газа перед турбиной Tг*=1150 К,

)расход воздуха Gв=13.1 кг/с,

) частота вращения ротора свободной турбины nст=15100 об/мин.

1. Термогазодинамический расчет двигателя

Предварительно проводим оценку мощности приводного ГТД

где: Nген=1600 кВт - мощность электрического генератора;

ηген=0,9885 - КПД электрогенератора;

ηред=0,989 - КПД редуктора, установленного между ГТД и электрогенератором;

Кзап=1,1 - коэффициент запаса по мощности.

Согласно заданный мощности электрогенератора 1600 кВт, определим по данным его коэффициент полезного действие ηген=0,9885.

На основе даны прототипа n=15100 об/мин, с учетом стандартной частоты вращений nген=3000 об/мин оценим передаточной отношение редуктора:

С учетам этого значение iред а также заданной Nген выбираем редуктор, [10].

Целью термогазодинамического расчета двигателя является определение основных удельных параметров (Ne УД - удельной мощности, Сe - удельного расхода топлива) и расхода воздуха GВ, обеспечивающего требуемую мощность - Ne. В результате расчета определяются также температура Т* и давление Р* заторможенного потока в характерных сечениях проточной части двигателя и основные параметры, характеризующие работу его узлов. Некоторые из параметров узлов выбираются на основании статистических данных. Параметры цикла двигателя πк* и Тг* задаются на основании технико-экономически требований, предъявляемых к двигателю.

Расчет выполняется в соответствии с рекомендациями [1].

.1 Выбор и обоснование параметров расчетного режима ГТД

.1.1 Температура газа перед турбиной

Увеличение температуры газа перед турбиной Тг* позволяет значительно увеличить удельную мощность двигателя и следовательно, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. Повышения температуры газа улучшает также экономичность двигателя. Для обеспечения надежной работы турбины при высоких значениях температуры газа (Тг*>1250) необходимо применять охлаждаемые лопатки. С учетом использования конструкционных материалов двигателя - прототипа принимаем .

.1.2 Степень повышения давления в компрессоре

При разработке ГТУ на начальных стадиях их развития основным требованием было получение минимальной удельной массы двигателя, что приблизительно соответствует максимуму удельной мощности. Несмотря на благоприятное влияние повышения πк* на удельные параметры двигателя, применение больших значений πк* ограничено усложнением конструкции и увеличением массы, габаритов компрессора. Выбор высоких значений πк* при проектировании двигателей малой мощности приводит к получению малых высот лопаток последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины. 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. Предварительно, для выбора πк* на расчетном режиме, проведем термогазодинамически расчеты для пяти значение. πк* (при выбранной ) охватывающи диапазон от πк*опт до πк*эк.

.1.3 КПД компрессора и турбины

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

где - среднее значение КПД ступеней компрессора.

На расчетном режиме среднее значение КПД ступеней в многоступенчатых осевых компрессорах современных газотурбинный двигателей лежит в пределах =0,88…0,9. Принимаем =0,89.

Наличие переходных каналов между каскадами приводит к снижению за счет гидравлических потерь на (1% … 2%).

КПД компрессора - это отношение изоэнтропической работы по параметрам заторможенного потока к работе компрессора, может быть представлен как произведение

где ήм - механический КПД компрессора, учитывающий потери в его опорах, обычно составляющий ήм = 0,99…0,995. - КПД компрессора по параметрам заторможенного потока: Принимаем ήм =0,985. Рассчитаемдля пяти значений :

Таблица 1.1 - Значения КПД компрессора

πк*	5,239	6,616	8,27	9,924	11,909
0,8490,8450,840,8380,835

.1.4 Потери в элементах проточной части

Входное устройство рассматриваемого двигателя является дозвуковым прямолинейным каналом. Коэффициент восстановления полного давления для такого устройства составляет = 0,96…1. Принимаем = 0,97.

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 .

Тепловое сопротивление возникает вследствие подвода тепла к движущемуся газу. На рисунке 1.1 показана зависимость коэффициента теплового сопротивления от степени подогрева газа и приведенной скорости на входе в камеру сгорания. Принимаем λвх=0,15. Для выбранного и пяти значений , соответствующих пяти (таблица 1.1), диапазон тепл=0,99…0,975. Принимаем в расчете среднее значение тепл=0,98.

Рисунок 1.1 - Зависимость теплового сопротивления камеры сгорания от степени подогрева и приведенной скорости потока

Суммарные потери полного давления в камере сгорания подсчитываются по формуле:

Потери тепла в камере сгорания главным образом связаны с неполным сгоранием топлива и оценивается коэффициентом полноты сгорания . Этот коэффициент на расчетном режиме достигает значений = 0.98..0.995. Принимаем =0,99.

Выходное устройство ГТУ, как правило, выполняется диффузорным. Коэффициент восстановления полного давления: = 0,98.

.1.5 Скорость истечения газа из выходного устройства. Механический КПД двигателя

Скорость истечения газа из ГТУ 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 ГТД работает как приводной двигатель, выбираем скорость истечения из двигателя, С=100 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 = 0,98.

В качестве топлива принимаем природный газ теплотворная способность его = 43000 кДж/кг, количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма, для газа =14,8 .

.2 Термогазодинамический расчет двигателя и анализ результатов

.2.1 Предварительный тремогазодинамический расчет

Для обоснование выбора проводим предварительный термогазадинамический расчет для пяти значений πк*р=5,239; 6,616; 8,27; 9,924; 11,909;(см.таблицу1.2) и

Таблица 1.2 - Результаты предварительного термогазодинамического расчёта

13 02 11

1 5 5 1

1.000 .000 .000 100.000 .920 1.000 1.000 0.100

.970 .935 .990 1.000 .980 .980 0.985 1.000

988.0 1038.0 1088.0 1138.0 1188.0

.910 .910 .910 .910 .910

5.239 6.616 8.270 9.924 11.909

.849 .845 .840 .838 .835

.000 .000 .000 .000 .000

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

.4300E+08 14.8

ТГДР ГТД-Р NT= 1 5 5 1 ДАТА 13. 2.11

TG= 988. 1038. 1088. 1138. 1188. ANTK= .910 .910 .910 .910 .910

PIK= 5.24 6.62 8.27 9.92 11.91 ANK = .849 .845 .840 .838 .835

ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГТД

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ: G= 1.00 DGO= .100 HU= .4300E+08 LO= 14.80

H= .00 MH= .000 CC=100.0 NTB= .920 ПBB=1.000 TBB=1.000 NB=1.000

SB= .970 SK= .935 NГ= .990 SPT=1.000 SPH= .980 NM= .980 NPД= .985

TH=288.15 THO=288.15 TBO=288.15 PH=101325. PHO=101325. PBO= 98285. VH= .0

ТГ ПК NEY CE NK NTK КПД

988.0 5.239 98.68 .4357 .8490 .9100 .1921

988.0 6.616 95.08 .4204 .8450 .9100 .1991

988.0 8.270 85.71 .4300 .8400 .9100 .1947

988.0 9.924 74.80 .4573 .8380 .9100 .1831

988.0 11.91 59.71 .5257 .8350 .9100 .1593

1038. 5.239 117.2 .4075 .8490 .9100 .2054

1038. 6.616 116.0 .3855 .8450 .9100 .2172

1038. 8.270 108.9 .3819 .8400 .9100 .2192

1038. 9.924 99.79 .3896 .8380 .9100 .2149

1038. 11.91 86.52 .4166 .8350 .9100 .2010

1088. 5.239 135.8 .3871 .8490 .9100 .2163

1088. 6.616 137.0 .3613 .8450 .9100 .2317

1088. 8.270 132.1 .3508 .8400 .9100 .2387

1088. 9.924 124.8 .3499 .8380 .9100 .2393

1088. 11.91 113.3 .3602 .8350 .9100 .2324

1138. 5.239 154.5 .3718 .8490 .9100 .2252

1138. 6.616 158.1 .3438 .8450 .9100 .2435

1138. 8.270 155.5 .3294 .8400 .9100 .2541

1138. 9.924 149.9 .3236 .8380 .9100 .2587

1138. 11.91 140.2 .3257 .8350 .9100 .2571

1188. 5.239 173.2 .3601 .8490 .9100 .2325

1188. 6.616 179.3 .3308 .8450 .9100 .2531

1188. 8.270 178.9 .3138 .8400 .9100 .2668

1188. 9.924 175.1 .3051 .8380 .9100 .2744

1188. 11.91 167.1 .3025 .8350 .9100 .2768

На основе полученных результатов (таблица 1.2) строим графики зависимостей Neуд= f(Tг*, πк*) и Сeу= f(Tг*, πк*).

Рисунок 1.2 - Зависимость удельного расхода от параметров рабочего процесса

Рисунок 1.3 - Зависимость удельной мощности от параметров рабочего процесса

Анализируя графики зависимостей основных параметров от параметров рабочего процесса можно определиться с выбором и Тг*.

Выбираем Тг*=1088К, т.к при этой температуре достигается высокое значение удельной мощности, низкий удельный расход топлива и хороший уровень КПД. Дальнейший рост Тг* требует применения более сложных систем охлаждения и значительного отбора воздуха на охлаждение турбины.

Во избежание снижения удельной мощности, усложнения конструкции, увеличения массы и габаритов двигателя, а также получения малых высот лопаток последних ступеней компрессора, и как следствие роста потерь энергии из-за увеличения относительных радиальных зазоров выбираем

Для выбранных значений Tг*,=1088 К и πкр*=8,27 определяем удельные параметры двигателя, основных узлов, параметры потока в характерных сечениях ГТД.

Таблица 1.3 - Результаты термогазодинамического расчёта

27 03 10

1 1 1 1

1.000 .000 .000 100.000 .920 1.000 1.000 0.100

.970 .935 .990 1.000 .980 .980 0.985 1.000

1088.0 1350.0 1300.0 1250.0 1400.0

.910 .905 .910 .912 .907

8.270 14.000 16.000 18.000 11.500

.840 .846 .842 .836 .862

.000 .000 .000 .000 .000

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

.4300E+08 14.8

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=1088.0 ПК= 8.270 SR= .000 SR1=1.000 SR2=1.000 TCO= 696.9

132.1 132.1 .3508 .1431E-01 4.723 46.35 .1964E-01 .2090

563.9 810.7 696.9 .8128E+06 .7600E+06 .2050E+06 .1060E+06 .1039E+06

.8400 .9100 .2841E+06 .3176E+06 .1303E+06 3.706 1.934 7.169

.2387 .1505E+06 .8989 1145. 1.335 287.3

1020. 1.392 287.0

.2.2 Анализ результатов расчета

В результате проведенного термогазодинамического расчёта были получены основные удельные параметры двигателя Nеуд=132,1 кВтс/кг и Се=0,3508 кг/кВтч, (при Тг*=1088 К и πк*=8,27).

Определили температуру Т* и давление Р* в характерных сечениях, а также параметры основных узлов. Значения удельных параметров соответствуют современному уровню значений для ГТД такого класса.

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

2. Согласование параметров компрессора и турбины

Увязка параметров турбокомпрессора двигателя является одним из важнейших этапов проектирования двигателя. Качественное выполнение этого этапа позволяет обеспечить оптимальные геометрические и газодинамические соотношения в определяющих облик двигателя расчётных сечениях, обеспечить нормальную загрузку ступеней турбины и допустимые напряжения в лопатках турбины. Для расчёта используем геометрические соотношения двигателя - прототипа.

Выбор формы проточной части ГТД определен следующими конструктивными и эксплуатационными соображениями. Форма проточной части компрессора является важным параметром, определяющим высоту его проточной части на выходе, соотношение диаметров и окружных скоростей, осевую протяженность машины, а также фактором, влияющим на компоновку других узлов и агрегатов двигателя. В полноразмерных и малоразмерных одноконтурных ГТД с умеренными значениями , где определяющим сечением является входное, предпочтительной является форма проточной части компрессора с постоянным наружным диаметром. При Dн=const средний диаметр к последним ступеням компрессора увеличивается с ростом средней окружной скорости. Это приводит к увеличению напорности ступеней и уменьшению их числа, необходимых для получения требуемой степени повышения давления . Упрощается изготовление корпуса компрессора, который имеет цилиндрическую форму. Следовательно, выбираем форму проточной части компрессора с Dk=const.

Различают облик проточной части осецентробежного компрессора без переходного канала между осевой и центробежной частями и с переходником. Последний применяется, если требуется обеспечить минимальный лобовой габарит двигателя, который зависит от наружного диаметра колеса центробежной ступени, а также если в качестве первой осевой ступени применяется сверхзвуковая ступень. Недостатком такой схемы является увеличение осевого габарита двигателя, его массы, а также усложнение конструкции машины, её технологичности и, как следствие, возрастание стоимости жизненного цикла. В связи с поворотом потока к оси в переходном канале при недостаточно тщательном профилировании могут возникнуть большие потери с образованием отрывных зон у внутренней поверхности. Это приводит к существенному ухудшению характеристик центробежного компрессора и делает более предпочтительным выбор формы проточной части осецентробежного компрессора без переходного канала.

Форма проточной части турбины выбирается из конструктивных соображений. Выбор её формы обусловлен возможностями энергообмена в ступенях, желательным снижением коэффициента нагрузки, максимально возможным сближением диаметральных размеров с учётом технологических соображений.

Значение среднего коэффициента нагрузки в турбине не должно превышать величины для обеспечения осевого выхода потока, но для турбовальных двигателей коэффициент нагрузки может быть несколько выше в ступенях свободной турбины.

Расчет проводится с учётом рекомендаций [2]. Согласование проводится на ЭВМ. Для этого используются данные, полученные при термогазодинамическом расчёте двигателя.

.1 Исходные данные для согласования параметров компрессора и турбины

) распределение Lквд* между осевой частью КВД и его центробежной ступенью: Loк/Lквд=1,0.

) КПД: КПДок*=0,84.

) коэффициент восстановления полного давления в переходном канале от осевой части к центробежной: Sпк=1.

) идентификатор формы проточной части ОК: kfко=1.

) число ступеней ОК: Zок=10.

) относительный диаметр втулки: Dвто/Dко=0,553.

) отношение наружного диаметра на входе в ЦБК к наружному диаметру на выходе из ОК: D1цбк/Dкко=1.

) отношение наружного диаметра РК ЦБК к наружному диаметру ОК на входе: D2/Dко=1,0.

) отношение диаметра ЦБК к наружному диаметру РК ЦБК: D4/D2=1,0.

) значение расходной (осевой) скорости на входе в осевую часть компрессора: Свo=140 м/с.

) значения расходных (осевых) скоростей на выходе из осевой части и на входе и выходе из центробежной ступени компрессора: Свс =130 м/с, Ск =130 м/с, Ско=115 м/с.

) значение окружной скорости на наружном диаметре 1-ой ступени КВД: Uквд=320.0 м/с.

) идентификатор формы проточной части турбины: kfт=2.

) число ступеней турбины: Zт=3.

) отношение среднего диаметра Т на входе к наружному диаметру КВД на входе: Dсрт/Dко=1,01.

) расходная газодинамическая функция на входе в турбины: q(lг)=0.3.

) расходная скорость на выходе из турбины: Ст=190 м/с.

) значение относительной длины переходов от ОК к ЦБК (L/Dcр)пер и относительной ширины РК ЦБК (S/D2)рк.

) значения коэффициентов Квна1 (Кв: 0.-ВНА нет, 1.-ВНА есть, 2.-есть ВНА и сдвоенная pешетка СА, 3.-нет ВНА, но есть сдвоенная решетка СА).

) значения коэф. Кохл т (Кохл=1.25 -охлаждаемая турбина, Кохл=1 - неохлаждаемая).

2.2 Формирование облика газогенератора

Формирование облика (проточной части) ГТД является одним из наиболее важных начальных этапов проектирования ГТД, непосредственно следующим за выполнением термогазодинамической расчета и предшествующим газодинамическим расчетам элементов проточной части (каскадов компрессоров и турбин). При выполнении расчетов по формированию облика ГТД определяются: форма проточной части, частоты вращения роторов и число ступеней каскадов лопаточных машин.

Результаты согласования параметров компрессора и турбины приведены в таблица 2.1.

Схема проточной части двигателя изображёна на рисунке 2.1.

Таблица 2.1- Формирование облика ГГ ГТД-1 (К - ОЦК)

Исходные данные:

Neуд= 132.1 Сe = .3508 КПДк= .8400 КПДтк= .9100

Lк = 284150. Lтк*= 447890. Lтс*= 130270. КПДтс= .9200

Cpг =1145.2 Kг =1.3349 Cpв =1020.0 Kв =1.3915

Ne = 1800. Gв = 13.62

doв = .553 Dсрт/Dко =1.010 D1цc/Dкко=1.000

D2цс/Dко =1.000 D4цc/D2цс=1.000

Lок/Lк =1.000 КПДок* = .840 Sркоц =1.000

Результаты pасчета:

* ОК * Кф = 1 Zк =10.

Lк*= 284150. Пiк*= 8.270 КПД*= .8398 Uк = 320.0

Dк = .4047 dob = .5530 dok = .9001 Hzc= .2775

nвд =15103.

* Т * Кф = 2 Zт = 3.

Lт*= 447890. Пiт*= 7.169 КПД*= .9100 (h/D)г= .1013

Uср= 323.2 Mz = 4.288 Dcр = .4087 (h/D)т= .2763

Sр = 288.6 Tw* = 742.5

Сечение\Паpаметp: T* : P* : C : C/акp : F

: K : Па : м/с : --- : кв.м

в - в 288. 98285. 140.0 .4513 .0893

к - к 564. 812820. 115.0 .2650 .0243

г - г 1088. 759990. 106.9 .1788 .0531

т - т 697. 106020. 190.0 .3971 .1450

Dн1 Dcp1 Dвт1 Dн2 Dcp2 Dвт2 Zст

ОK .4047 .3270 .2238 .4047 .3850 .3642 10.

Т .4501 .4087 .3673 .5216 .4087 .2958 3.

Рисунок 2.1 - Схема проточной части двигателя

.3 Анализ результатов расчета

В результате расчета сформирован облик двигателя. Выбрана конструктивно простая схема ГТД с одновальным турбокомпрессором.

Средний коэффициент затраченного напора z = 0,2775 осевого компрессора. Турбина с постоянным втулочным диаметром, число ступеней Zт=3, является средненагруженной (μт=4,288).

Рассчитаны значения Т*, Р*, С в основных сечениях двигателя, а также площади этих сечений.

Данные, полученные при согласовании, станут основой для проектирования основных узлов двигателя. Результаты согласования не являются окончательными, а будут изменяться на дальнейших этапах расчёта при проектировании и доводке компрессора, турбины.

3. Газодинамический расчет осевого компрессора

.1 Выбор и обоснование исходных данных для расчета компрессора

При проектировании газотурбинных двигателей особое место выделяется проектированию компрессора. Именно компрессор является узлом, в зависимости от параметров которого проектируется и камера сгорания, и турбина. Основную часть длины двигателя часто составляет именно компрессор. Это говорит о большом влиянии компрессора на общие габаритные размеры двигателя, а, значит, и на его массу.

Предварительный газодинамический расчет осевого компрессора обычно представляет собой последовательный расчет всех его ступеней на среднем радиусе.

Используются данные, полученные при термогазодинамическом расчёте двигателя и согласовании параметров компрессора и турбины.

Форма проточной части: Dк=сonst.

Для расчёта компрессора необходимо распределить значение коэффициента затраченного напора, скоростей Са и КПД по ступеням.

Распределениепо ступеням произведено таким образом, чтобы Z первых и последних ступеней каскадов компрессора было меньше средних значений. Такое распределение выбрано из-за низкого КПД первых ступеней, обусловленного большой неравномерностью потока и высоких углов натекания потока на первых ступенях, а также из-за высокого уровня потерь на последних ступенях, вызванных увеличением относительного радиального зазора из-за малой высоты лопаток и высокими углами отставания потока. Первые две ступени обычно разгружают для повышения запаса по углам атаки для более устойчивой работы на нерасчётных режимах.

Распределение hст по ступеням проводится со снижением на первых и последних ступенях. Последние ступени имеют заниженный КПД из-за малой высоты лопаток.

Распределение кинематической степени реактивности () по ступеням:

принимаем

Расчёт проводится с учётом рекомендаций [3].

Газодинамический расчет компрессора проводится на ЭВМ по программе GDROK.EXE.

Распределение параметров по ступеням приведено таблица 3.1.

Таблица 3.1 - Распределение параметров по ступеням

Величина		Ступени
Nст		1		2		3		4		5		6		7		8		9	10
Uк		329,2		329,2		329,2		329,2		329,2		329,2		329,2		329,2		329,2	329,2
Нz кДж/кг		26,3		27,7		28,7		29,5		29,7		29,5		29,1		28,65		27,9	27,1
hст*	0,894		0,898		0,902		0,905		0,9085		0,9085		0,905		0,902		0,898		0,894
са	140		139,8		139,1		137,9		136,2		134,1		131,4		128,2		124,4		120
rк	0,52		0,52		0,52		0,52		0,52		0,52		0,52		0,52		0,52		0,52
iн град	0		0		0		0		0		0		0		0

.2 Газодинамический расчет компрессора на среднем радиусе

Исходные данные и результат расчёта многоступенчатого осевого компрессора приведён в таблицах 3.2, 3.3. Схема проточной части компрессора изображена на рисунке - 3.1. Изменение параметров по ступеням представлено на рисунке - 3.2(а,б,с). Треугольники скоростей на среднем радиусе для всех ступеней изображены на рисунках - 3.3(а,б,с).

Таблица 3.2 - Исходные данные для газодинамического расчета компрессор

16 02 10

1 1 10 10 1

288.15 98285.0 1.392 287.00

.62 8.270 8.270 329.20 0.00 115.00

.5530 .0000 .9900 .9850 1.0000 1.0200 0.0000

.00 139.80 139.10 137.90 136.20 134.10 131.40 128.20 124.40 120.00

.00 000.00 000.00 000.00 000.00 000.00 000.00 000.00 000.00 000.00

26.30 27.70 28.70 29.50 29.70 29.50 29.10 28.65 27.90 27.10

00.00 00.00 00.00 00.00 00.00 00.00 00.00 00.00 00.00 00.00

.8940 .8980 .9020 .9050 .9085 .9085 .9050 .9020 .8980 .8940

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.5200 .5200 .5200 .5200 .5200 .5200 .5200 .5200 .5200 .5200

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

Таблица 3.3 - Газодинамический расчет компрессора

ГДР МОК Дата 16. 2.10

Nк= 1 Kф1= 1 Kф2= 1 z1= 10 zк= 10 Kr= 1

Пк= 8.270 Пк1= 8.270 G= 13.62 n1= 15100.9 n2= 15100.9 k= 1.39 R= 287.00

Tв=288.15 Pв= 98285.0 P1о= 97302.1 Sва= .990 Sна= .985 Sнв=1.000 m= .00

Ncт Dк Dсp Dвт Doт КПД Mw1 Mc2

1 .4163 .3364 .2302 .5530 .8732 .7073 .6558

2 .4163 .3519 .2726 .6547 .8765 .6935 .6451

3 .4163 .3631 .3006 .7220 .8795 .6757 .6301

4 .4163 .3718 .3210 .7711 .8814 .6563 .6131

5 .4163 .3784 .3363 .8078 .8833 .6348 .5940

6 .4163 .3836 .3479 .8355 .8814 .6128 .5741

7 .4163 .3876 .3565 .8563 .8758 .5910 .5542

8 .4163 .3906 .3631 .8721 .8706 .5702 .5350

9 .4163 .3929 .3680 .8840 .8641 .5486 .5147

10 .4163 .3947 .3717 .8928 .8573 .5275 .4953

Nст C1а С2а С1u C2u C1 C2 Uк

1 140.0 139.9 77.64 173.7 160.1 223.1 329.2

2 139.8 139.5 82.54 181.7 162.3 229.0 329.2

3 139.1 138.5 86.08 187.5 163.6 233.1 329.2

4 137.9 137.0 88.45 192.1 163.8 236.0 329.2

5 136.2 135.1 90.88 195.1 163.7 237.4 329.2

6 134.1 132.8 93.23 197.0 163.3 237.6 329.2

7 131.4 129.8 95.29 198.2 162.3 236.9 329.2

8 128.2 126.3 96.96 199.0 160.7 235.7 329.2

9 124.4 122.2 99.25 198.6 159.1 233.2 329.2

10 120.0 117.5 101.5 198.0 157.2 230.3 329.2

Nст Hz Rк al1 al2 be1 be1л be2

1 .2630E+05 .5200 60.99 38.84 36.62 36.62 54.88

2 .2770E+05 .5200 59.44 37.51 35.54 35.54 54.08

3 .2870E+05 .5200 58.25 36.45 34.66 34.66 53.37

4 .2950E+05 .5200 57.32 35.50 33.85 33.85 52.69

5 .2970E+05 .5200 56.29 34.71 33.16 33.16 51.85

6 .2950E+05 .5200 55.19 33.97 32.54 32.54 50.90

7 .2910E+05 .5200 54.05 33.22 31.89 31.89 49.85

8 .2865E+05 .5200 52.90 32.40 31.17 31.17 48.74

9 .2790E+05 .5200 51.42 31.61 30.47 30.47 47.29

10 .2710E+05 .5200 49.76 30.68 29.68 29.68 45.86

Nст Пст Hтк Cак Kg Kн U1 U2

1 1.307 .2456 .4253 1.020 .9880 266.0 272.1

2 1.297 .2619 .4247 1.022 .9760 278.2 282.7

3 1.283 .2747 .4225 1.024 .9640 287.1 290.5

4 1.268 .2859 .4189 1.026 .9520 293.9 296.6

5 1.249 .2915 .4137 1.028 .9400 299.2 301.3

6 1.229 .2933 .4074 1.031 .9280 303.3 304.9

7 1.209 .2931 .3991 1.033 .9160 306.5 307.7

8 1.191 .2924 .3894 1.035 .9040 308.9 309.8

9 1.174 .2861 .3779 1.037 .9000 310.7 311.4

10 1.158 .2778 .3645 1.039 .9000 312.1 312.1

Nст T2o T1 T2 P2o P3o P1 P2

1 314.0 275.6 289.5 .1304E+06 .1284E+06 .8305E+05 .9780

2 341.1 301.0 315.4 .1690E+06 .1665E+06 .1106E+06 .1279

3 369.3 328.0 342.6 .2168E+06 .2135E+06 .1448E+06

4 398.2 356.1 370.9 .2748E+06 .2707E+06 .1877E+06

5 427.4 385.1 399.7 .3433E+06 .3381E+06 .2403E+06

6 456.3 414.3 428.6 .4218E+06 .4155E+06 .3028E+06

7 484.9 443.4 457.4 .5098E+06 .5021E+06 .3752E+06

8 513.0 472.2 485.7 .6072E+06 .5981E+06 .4570E+06

9 540.4 500.6 513.7 .7126E+06 .7019E+06 .5482E+06

10 567.0 528.2 540.9 .8252E+06 .8128E+06 .6475E+06

Dкк Dск Dвк Dок Tк Pк Cк

.4163 .3965 .3755 .9020 560.5 .7803E+06 115.0

Пк = 8.270 КПД = .8401 Lк =284150.

Рисунок 3.1 - Схема проточной части компрессора

Рисунок 3.2а - Изменение и по ступеням компрессора

Рисунок 3.2б - Изменение и по ступеням компрессора

Рисунок 3.4 -Изменение Са,Т,Т*,Р,Р* по ступеням компрессора.

Рисунок 3.3а - Планы скоростей ступеней (1,2,3,) осевого компрессора

Рисунок 3.3б - Планы скоростей ступеней (4,5,6,7,8) осевого компрессора

Рисунок 3.3с - Планы скоростей ступеней (9,10) осевого компрессора.

3.3 Анализ результатов расчета

Проведенный расчёт компрессора позволил получить: геометрические параметры лопаточных венцов проточной части компрессора, изменения Р, Р*, Т, Т* на среднем радиусе каждой ступени, а также работу и степень повышения давления каждой ступени. Кроме того, были уточнены окончательные размеры проточной части. Все эти данные используются при проектировании решёток профилей многоступенчатого компрессора.

Степень повышения давления pк*: p*ок=8,27,

Частота вращения: n=15100 об/мин,

Число ступеней: Zк=10,

Работа компрессора: L*к =284150 кДж/кг;

КПД компрессора: hк*= 0,8401.

Расчетные параметры не выходят за установленные пределы:

угол входа потока

относительный втулочный диаметр

Параметры, полученные по результатам расчёта, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к современным многоступенчатым компрессорам. Полученный компрессор обеспечивает заданный pк* и КПД.

4. Газодинамический расчет осевой турбины

Современное состояние теории и практики проектирования осевых газовых турбин обеспечивает возможность надежного определения параметров турбины на расчетном режиме с достоверным учетом всех видов потерь механической энергии в ее проточной части. При этом газодинамический расчет турбины усложняется, что приводит к значительному увеличению объема вычислений. В учебном проектировании сложные расчетные соотношения могут быть реализованы только при использовании ЭВМ, и поэтому ручной счет выполняется только первой ступени в первом приближении.

Газодинамический расчет турбины на среднем диаметре выполнен по методике [4].

.1 Выбор и обоснование исходных данных

Исходными данными газодинамического расчета турбины на среднем диаметре при заданной форме ее проточной части являются величины, получаемые как в результате предшествующих расчетов, так и оцениваемые по опыту проектирования турбин. Такими величинами являются:т - мощность турбины, кВт,Г - расход газа на входе в турбину, кг/с,

Т0* - температура заторможенного потока газа перед турбиной, К,

Р0* - давление заторможенного потока газа перед турбиной, Па,- частота вращения рабочего колеса ступени, об/мин,Гср - средний диаметр лопаток соплового аппарата (СА) на выходе, м,Тср - средний диаметр лопаток РК на выходе, м, Г - высота лопатки СА на выходе, м,Т - высота лопатки РК на выходе, м.

Проектировочный газодинамический расчет осевой турбины выполняется с целью определения основных размеров ее проточной части, параметров потока и КПД. Вычисление параметров производится в характерных сечениях.

Потребная мощность части турбины, работающей на приводимый агрегат определяется мощностью данного агрегата, а мощность части турбины, работающей на компрессор Nтк, определяется мощностью осевого компрессора.

При этом мощность распределяем по ступеням так, чтобы коэффициент нагрузки последней ступени не превышал 1.45, иначе трудно обеспечить выход потока из ступени, близкий к осевому.

Исходные данные для газодинамического расчета осевой турбины приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1-Исходные данные

Величина	Размерность	Результат	Величина	Размерность	Результат
Gг	кг/с	12,6	Тг*	К	1088
Рг*	Па	759990	Т`к*	К	564
Рт*	Па	106020	h1	м	0,038
Dг ср1	м	0,4087	h2	м	0,0415
Dт ср2	м	0,4087	nт	об/мин	15100
Zт	-	3	Gв	Кг/с	13,62

Мощность турбины вычисляется по формуле:

где Lк- работа соответствующего компрессора, в - расход воздуха на входи в компрессор,

hm - механический КПД.

Мощность турбины распределяем по ступеням таким образом: =2000,8 кВт,=1968,3 кВт,=1785 кВт,

.2 Газодинамический расчет турбины

Исходный файл представлен в таблице 4.2. Результаты расчета на ЭВМ сведены в таблицу 4.3.Схема проточной части турбины, планы скоростей приведены на рисунках 4.1 и 4.2. На рисунке 4.3 изображено изменение параметров потока по ступеням газовой турбины.

Таблица 4.2-Файл исходных данных к газодинамическому расчету турбины

14 05 10

3 0 106020.0

12.60 1088.0 759990.0 0.0 .003 .000 .000 .000 .050 .000

2000.8 1968.3 1785.0 0000.0 0000.0 0000.0 0000.0 0000.0

15100.0 15100.0 15100.0 0000.0 0000.0 0000.0 0000.0 0000.0

.2900 .3050 .3250 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.4087 .4087 .4087 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 Dcp1

.4087 .4087 .4087 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 Dcp2

.0380 .0562 .0880 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 h1

.0415 .0650 .1050 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 h2

.1600 .1300 .1300 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.1500 .1400 .1400 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

Таблица 4.3-Газодинамический расчет турбины

ГДР ГТ Дата 14. 5.10

Исходные данные:

3 0 106020.

12.60 1088. .7600E+06 .0000 .3000E-02 .0000 .0000

.0000 .5000E-01 .0000

Кг=1.328 Rг= 290.0 Сpг=1174.6

Схема печати:

D1c D2c h1 h2 Cmc Cmр n

Mcт Lс* Пi* Пi КПД Rc R1c T1w*

U1 C1 C1a C1u alf1 be1 L1 Lw1

U2 C2 C2a C2u alf2 be2 L2 Lw2

T1 T1* P1 P1* T2 T2* P2 P2*

G1 G2 sca bca alfu tca fi Zca

Pu Pa sрк bрк beu tрк psi Zрк

Тлса Тлрк Sсум

Ncт= 1

.409 .409 .380E-01 .415E-01 .160 .150 .151E+05

.200E+04 .159E+06 1.81 1.90 .914 .290 .165 .100E+04

323. 494. 151. 470. 17.8 45.8 .823 .366

323. 162. 161. -20.5 82.7 25.1 .289 .659

984. .109E+04 .487E+06 .731E+06 943. 954. .401E+06 .421E+06

12.6 12.6 .243E-01 .399E-01 37.5 .347E-01 .959 37

.618E+04 .228E+04 .170E-01 .191E-01 63.1 .167E-01 .964 77

.109E+04 953. 125.

Ncт= 2

.409 .409 .562E-01 .650E-01 .130 .140 .151E+05

.197E+04 .156E+06 1.95 2.08 .917 .305 .115 872.

323. 490. 169. 460. 20.1 51.0 .872 .404

323. 177. 175. -24.0 82.2 26.8 .339 .724

852. 954. .256E+06 .405E+06 808. 822. .202E+06 .216E+06

12.6 12.6 .241E-01 .383E-01 38.9 .313E-01 .962 41

.610E+04 .153E+04 .170E-01 .197E-01 59.9 .176E-01 .967 73

954. 822. 185.

Ncт= 3

.409 .409 .880E-01 .105 .130 .140 .151E+05

.179E+04 .142E+06 2.02 2.21 .920 .325 .117E-01 748.

323. 465. 184. 427. 23.3 60.4 .892 .425

323. 191. 190. -10.0 87.0 29.7 .396 .771

729. 822. .128E+06 .208E+06 686. 702. .976E+05 .106E+06

12.6 12.6 .236E-01 .368E-01 39.9 .285E-01 .965 45

.551E+04 .125E+04 .170E-01 .209E-01 54.7 .192E-01 .969 67

822. 698. 290.

Тг*=1088.0 Рг*= .7600E+06 Сг=107.9 Тг=1083.0 Рг= .7461E+06

D1с= .409 h1= .0380

Рисунок 4.1 - Схема проточной части турбины

Рисунок 4.2 - Планы скоростей ступеней осевой турбины

Рисунок 4.3 - Изменение параметров потока по ступеням осевой турбины

.3 Анализ результатов расчета

В результате расчета турбины на ЭВМ определились окончательные размеры проточной части. Определены кинематические параметры потока в характерных сечениях.

Обеспечиваем допустимые значения параметров по всем ступеням, , - угол на выходе из рабочего колеса последний ступени в абсолютном движении.

Степень реактивности в области втулки ρвт на всех ступенях больше нуля. Величина приведенной скорости λ1 на всех ступенях меньше 1…1.05, что снижает уровень волновых потерь. Расходная скорость Са вдоль проточной части увеличивается. Мощность турбины по ступеням распределена так, чтобы коэффициент нагрузки последней ступени не превышал =1,4…1,45, иначе трудно обеспечить выход потока из ступени близкий к осевому.

5. Расчет параметров потока по радиусу и профилирование решеток профилей рабочего колеса турбины

.1 Расчет параметров потока по радиусу первой ступени турбины

Расчет параметров потока по радиусу первой ступени турбины выполнен по методике [5].

Выбор закона профилирования

Применение закона профилирования и значительно упрощает технологию изготовления лопаток СА и РК, позволяет создать хорошую конструктивную базу для их монтажа в статоре и роторе.

Данные особенности обусловили широкое применение закона крутки и при проектировании турбин ГТД.

Расчет турбины на ЭВМ

Исходными данными для определения параметров потока по радиусу являются данные расчета ступеней турбины на среднем радиусе, а так же заложенные в техническом задании параметры ГТД:

средний диаметр проточной части на входе и на выходе из рабочего

колеса и ;

высота лопатки на входе и на выходе и ;

коэфициент скорости решетки СА

коэфициент скорости решетки РК

приведеная скорость потока перед РК

термодинамическая степень реактивности

расходные , и окружные ,

составляющие абсолютной скорости на входе и на выходе из РК;

угол потока в абсолютном движении на выходе из СА ;

угол потока в относительном движении на входе и на выходе из РК;

массовый расход газа на входе и на выходе из РК;

частота вращения ротора ;

температура газа за РК по заторможенным параметрам .

Исходные данные газодинамического расчета ступени турбины размещаются в файле исходных данных oct.dat (таблица 5.1). Результаты расчета, получаемые по программе oct.exe, заносятся в файл oct.rez (таблица 5.2).

Приведенная в таблице схема печати дает достаточно полное представление об объеме результатов, получаемых в ходе выполнения поступенчатого газодинамического расчета турбины. Помимо таблицы расчетных данных, программа oct.exe позволяет для большей наглядности представить результаты расчета в графической форме.

Таблица 5.1 - Исходные данные

10 11 10 1 2 1.328 290. Дата, nr, kz, kг, Rг

.409 .409 .038 .042 D1c,D2c,h1,h2

.959 .964 .823 .290 fi,psi,Л1,Roтc

151.00 161.00 470.00 -20.50 C1ac,C2ac,C1uc,C2uc

17.80 45.80 25.10 12.60 12.60 alf1c,be1c,be2c,G1,G2

90.00 90.00 90.00 90.00 90.00 alf0i

15100.0 954. n,T2*

Лопатка СА - nr=0, лопатка РК - nr=1.

Закон кpутки: 0 - C1u*r=const, C2u*r=const;

( kz ) 1 - alf1(r)=const, L(r)=const;

2 - alf1(r)=const, be2(r)=const.

Таблица 5.2 - Результаты расчета параметр потока ступени осевой газовой турбины

Дата 10.11.10 NR= 1 KZ= 2 Кг = 1.328 Rг = 290.0

D1ср= .4090 D2ср= .4090 h1 = .0380 h2 = .0420

C1aср=151.00 C2aср=161.00 C1uср=470.00 C2uср= -20.50

alf1с= 17.80 be1ср= 45.80 be2ср= 25.10

alf0 = 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00

Л1 = .823 Фи = .959 Пси = .964 Rтс = .290

n =15100.0 T2* = 954.0

Таблица 1

Изменение параметров потока по радиусу

-----------------------------------------------------------

Паpаметp | Сечение по высоте лопатки

| 1(пеp) 2 3(сp) 4 5(вт)

-----------------------------------------------------------

r .2245 .2145 .2045 .1945 .1845

ro 1.000 .9555 .9109 .8664 .8218

U 355.0 339.2 323.4 307.6 291.7

C1u 434.8 451.7 470.0 490.1 512.1

C1a 139.7 145.1 151.0 157.4 164.5

alf1 17.80 17.80 17.80 17.80 17.80

C1 456.7 474.4 493.7 514.7 537.9

be1 60.26 52.22 45.84 40.78 36.74

C2u -11.98 -15.97 -20.50 -25.66 -31.56

W2u 367.0 355.2 343.9 333.2 323.3

C2a 171.8 166.3 161.0 156.0 151.4

be2 25.09 25.09 25.09 25.09 25.09

Л1 .7614 .7909 .8230 .8581 .8967

Rт .3923 .3443 .2900 .2281 .1571

T2w 1009. 1005. 1002. 998.8 996.0

Л2w .7037 .6823 .6617 .6421 .6239

Л1w .2795 .3194 .3668 .4207 .4806

Л2 .3076 .2983 .2898 .2823 .2761

dbe 94.65 102.7 109.1 114.1 118.2

alf2 86.01 84.51 82.74 80.66 78.22

Полученные графические зависимости параметров потока от высоты лопатки рабочего колеса данной ступени изображены на рисунках 5.1-5.3

Рисунок 5.1 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Рисунок 5.2 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Рисунок 5.3 - Изменение и по радиусу лопатки РК

Полученные треугольники скоростей изображены на рисунке 5.4-5.8

Рисунок 5.4 - Планы скоростей в сечении 1

Рисунок 5.5 - Планы скоростей в сечении 2

Рисунок 5.6 - Планы скоростей в сечении 3

Рисунок 5.7 - Планы скоростей в сечении 4

Рисунок 5.8 - Планы скоростей в сечении 5

Результату расчета представлены в таблице 5.3.

Таблица 5.3 - Профилирование решетки рабочего колеса турбины

-----------------------------------------------------------

Паpаметp | Сечение по высоте лопатки

| 1(пеp) 2 3(сp) 4 5(вт)

---------------------------------------------------------- 1.000 .9722 .9445 .9167 .8890 20.36 20.36 20.36 20.36 20.36 18.98 18.45 17.93 17.40 16.87/b .9322 .9062 .8806 .8546 .8286 .1400 .1450 .1500 .1600 .1700 .2655 .2645 .2643 .2620 .2617l 55.00 52.00 50.00 45.00 42.00l 21.12 21.37 21.59 21.77 21.92 52.33 54.72 56.45 60.82 63.69 .7100 .7400 .7600 .8100 .8600 .3500 .3500 .3500 .3500 .3500

Число pабочих лопаток - 85. шт.

Данные построения содержатся в файле GFRT.dat, построение профилей осуществляется с помощью графической программы GFRT.exe

Полученные профили изображены на рисунках 5.9-5.14.

Рисунок 5.9 - Решетка профилей в сечении 1 (периферийное)

Рисунок 5.10 - Решетка профилей в сечении 2

Рисунок 5.11 - Решетка профилей в сечении 3 (среднее)

Рисунок 5.12 - Решетка профилей в сечении 4

Рисунок 5.13 - Решетка профилей в сечении 5 (втулочное)

Рисунок 5.14 - Профили рабочей лопатки турбины

.3 Анализ результатов расчета

Решетки профилей первой ступени газовой турбины профилировалась по закону и . Профилирование лопаток по данному закону значительно упрощает технологию изготовления лопаток СА и РК, позволяет создать хорошую конструктивную базу для их монтажа в статоре и роторе. На расчетном режиме работы обеспечиваются допустимые параметры потока на рабочее колесо на всех радиусах.

6. Исследование эксплуатационных характеристик двигателя

.1 Исследование климатической характеристики двигателя

Для одновального уравнение баланса мощностей будет иметь вид

где Ne - мощность, отбираемая от ротора двигателя на привод потребителя мощности (электрогенератора), который для моделируемого ГТД является внешним устройством, не оказывающим непосредственного влияния на параметры рабочего процесса; Gвк - расход воздуха через компрессор; Lк - работа компрессора; Gгт - расход газа через турбину; Lт - работа турбины; ηm - механический коэффициент полезного действия (КПД) двигателя.

Из уравнения (1.1) следует, что в системе уравнений невязок для одновального ГТД должно отсутствовать уравнение баланса мощностей компрессора и турбины.

При заданных условиях на входе в двигатель и принятых моделях его элементов параметры потока и режимы работы элементов проточной части одновального ГТД однозначно определяются набором четырех независимых величин (n = 4):

Независимые переменные: .

Система уравнений невязок для данного двигателя представлена ниже:

Первое уравнение системы (1.2) - баланс расходов через компрессор и турбину, второе, третье и четвертое - условия регулирования ГТД.

В системе уравнений невязок приняты следующие обозначения:

- расход воздуха через компрессор кг/с;

, - расход газа через турбину, кг/с;

- перепуск воздуха;

- отбор воздуха на нужды установки;

- отбор воздуха на охлаждение турбин;

Одновальную газотурбинную установку (ГТУ), называют простым блокированным агрегатом. Блокирование (жесткое соединение) на одном валу турбо компрессора и потребителя мощности позволяет реализовать нагрузку второго типа. Закономерности совместной работы узлов и обобщённые характеристики этого двигателя аналогичны закономерностям совместной работы узлов и характеристикам двигателя с одним управляющим фактором. Режим работы газогенератора определяется одним параметром и поддерживается одним регулятором.

Например, если в качестве параметра принята частота вращения ротора газогенератора, то осуществляется, как правило, её замкнутое регулирование: Gт→ nгг. Если же в качестве параметра режима принять Тг*, то во многих случаях осуществляется её косвенное регулирование путём изменения расхода топлива. Закон изменения температуры газа Тг* и, соответственно, Gт выбирается из условия обеспечения потребной мощности. В данном случае потребителем является генератор переменного тока, который регламентирует величину потребной мощности нашего двигателя.

Исследование климатической характеристики будем проводить в диапазоне температур окружающей среды от -30°С до +55°С. Данный диапазон температур охватывает все возможные области эксплуатации нашего двигателя. Составляем три блока изменения поля температур: в первом блоке температура возрастает в интервале [0°,55°] С, а во втором снижается от 0°С до -30°С,а в третьем соответственно тоже происходит снижение температуры от 0°С до -30°С.

Исходные данные для расчета:[6]В р= 13,62- массовый расход воздуха на входе в двигатель в кг/с,

Нр= 0 - расчетная высота полета в км,

МН р=0 - расчетная скорость полета в числах Маха,

πк*=8,27 - степень повышения полного давления в компрессоре,

ηк*=0,8401 - расчетное значение КПД компрессора,

ТГ р*=1088 - расчетное значение полной температуры перед турбиной в К,

СС=100 - скорость истечения на срезе выходного насадка в м/с,

σвх=0,97 - коэффициент восстановления полного давления во входном устройстве,

σкс=0,935 - коэффициент восстановления полного давления в камере сгорания,

σрн=0,98 - коэффициент восстановления полного давления в выхлопном патрубке,

ηг=0,99 - коэффициент полноты сгорания,

ηm=0,98 - механический КПД двигателя,=15100 - частота вращения ротора турбокомпрессора, об/мин.

Предусмотрен отбор воздуха для охлаждения турбины компрессора и составляет

Значение приведенной окружной скорости в турбине компрессора вычислено по формуле

Выделим тот факт, что двигатель имеет регулируемые направляющие аппараты осевой части компрессора. В качестве топлива будем использовать природный газ (Hu =43·106 Дж/кг, Lo=14,8).

Результаты расчета представлены в файле mgtd.rez, содержание которого приведено ниже в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Исходные данные для расчета по климатической характеристики

26 02 11 mgtd.dat ( "аRб. е а-Є _'"-1 )

1 1 3 5 15 2

0 0 10 6 1

123 123 123 123 123 123 123 123 123 123

132 132 132 132 132 132 132 132 132 132

13.62 .0000 .0000 8.270 .8400 1088.

100.0 1.0000

.9100 .5545 3.0000 1.0000 1.0000 1.0000

.9700 .9350 .9900 1.0000 .9800 .9850 1.0000 1.0000

.0563 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

15100.0 40.00 .3000E-01 8.000 1600. .8000

9424.8 00.00 1.00 27.00e03 75.00

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.00e02 .10e02 .20e02 .30e02 .40e02 .00e02

-.15e02 -.25e02 -.35e02 -.45e02 .00e02 -.15e02

-.25e02 -.35e02 -.45e02 .00e02 .00e02 .00e02

.00e02 .00e02 .00e02 .00e02 .00e02 .00e02

1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 .9593 .9352 .9134 .8954

1.0000 1.0000 .9736 .9497 .9298 .8950 .8700 .8600 .8500 .8450

1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

.0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563

.0563 .0563 .0563 .0563 .0563 1.0000 .1000 .1000 .1000 .1000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.7000 1.0000 1.0000 3.7500 .5000 .7500 .2000 1.0000 2.0000

1.0000 .9600 .9200 1.0400 1.0800 1.1200 .8500 .7000 .6500 .6500

.683 .850 7.940 4.858 1.502 43.00e06 14.80

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0000

.0620 2.4000 .1000 .0220 .0102 .1460 .0730 .8500 .2500 .2500

7 6 1 7 6

13.7000 13.0000 12.0000 11.0000 10.5000 10.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

13.4500 12.7500 12.2000 11.0000 10.5000 10.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

13.0000 12.4000 11.7500 11.0000 10.2500 9.5000 .0000 .0000 .0000 .0000

12.4500 12.0000 11.0000 10.0000 9.5000 9.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

11.9500 11.3500 10.5000 9.5000 8.5000 8.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

11.0000 10.7000 10.0000 9.0000 8.0000 7.5000 .0000 .0000 .0000 .0000

9.8500 9.6000 9.0000 8.2500 7.5000 7.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

15.4800 15.5000 15.5000 15.5000 15.5000 15.5000 .0000 .0000 .0000 .0000

15.1800 15.2200 15.2500 15.2600 15.2600 15.2600 .0000 .0000 .0000 .0000

14.8600 14.9400 14.9700 14.9700 14.9700 14.9700 .0000 .0000 .0000 .0000

14.4600 14.5200 14.5500 14.5800 14.5900 14.6000 .0000 .0000 .0000 .0000

13.9400 14.0200 14.0400 14.0700 14.0800 14.0900 .0000 .0000 .0000 .0000

13.2000 13.2600 13.3400 13.3900 13.4300 13.4500 .0000 .0000 .0000 .0000

12.3800 12.4600 12.5600 12.6300 12.6800 12.7000 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.7600 .7650 .7600 .7500 .7400 .7250 .0000 .0000 .0000 .0000

.7800 .7850 .7850 .7650 .7450 .7300 .0000 .0000 .0000 .0000

.7920 .7970 .7950 .7800 .7600 .7350 .0000 .0000 .0000 .0000

.8020 .8010 .7980 .7850 .7600 .7400 .0000 .0000 .0000 .0000

.8040 .8040 .7990 .7870 .7550 .7300 .0000 .0000 .0000 .0000

.8020 .8040 .7990 .7850 .7500 .7200 .0000 .0000 .0000 .0000

.7990 .7970 .7870 .7590 .7450 .7100 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

12.0000 14.9300 .7975

1.0609 1.0323 1.0036 .9749 .9462 .9176 .8889 .0000 .0000 .0000

Результаты расчета представлены в файле mgtd2.rez. Расчетные данные климатической характеристики в таблице 6.2.

Таблица 6.2 - Результаты расчета климатической характеристики

ММ ГТД-1 Дата 26. 2.11

NT= 1 1 NR= 3 5 15 2 NK=0 NQ=0 NMK=1 NL=10 IK=6

DH1= 13.62 .00 .000 8.27 .840 1088.0 100.0 1.000

DH2= .910 .554 3.000 1.000 1.000 1.000

BH= .970 .935 .990 1.000 .980 .985 1.000 1.000

DGT= .056 .000 .000 .000 .000 GDBY= .0000

WP= 15100.0 .0 HU= .4300E+08 LO=14.800

N H MH NP R1 R2 R3 RGOT RGPR RGO1 RGO2 DDT

1 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

2 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 10.0

3 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 20.0

4 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 30.0

5 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 40.0

6 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

7 .0 .000 123 .959 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -15.0

8 .0 .000 123 .935 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -25.0

9 .0 .000 123 .913 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -35.0

10 .0 .000 123 .895 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -45.0

Продолжение таблицы 6.2

11 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

12 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -15.0

13 .0 .000 123 .974 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -25.0

14 .0 .000 123 .950 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -35.0

15 .0 .000 123 .930 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 -45.0

RWC=1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

* * *

ХАРАКТЕРИСТИКА ГТД

СХЕМА ПЕЧАТИ: NE NEY CE TK ТГ TTK TC

П ПП GBП ПК NK MKP DKU

GT AKC GB ПТК NTK LC FC

TB PB ПС ПТС NTC MKC X1

КПД NEЭ CEЭ PЭ CYЭ КПДЭ

* * *

1 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 132.2 .3668 563.9 1088. 702.4 702.4

1.000 1.000 13.62 8.270 .8400 3640. .2204

660.4 4.734 13.62 7.170 .9088 .2079 .3216

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.000

.2282 1908. .3461 .2862E+05 .2307E-01 .2419

2 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1643. 125.3 .3790 574.9 1088. 707.6 707.6

1.000 .9831 13.34 7.958 .8455 3454. .2357

622.6 4.834 13.11 6.902 .9099 .2068 .3112

298.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9775

.2209 1746. .3566 .2619E+05 .2377E-01 .2348

3 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1491. 118.3 .3931 585.8 1088. 712.9 712.9

1.000 .9670 13.03 7.647 .8489 3271. .2477

586.0 4.937 12.60 6.643 .9110 .1996 .3099

308.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9556

.2130 1587. .3693 .2380E+05 .2462E-01 .2267

4 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1346. 111.1 .4094 596.9 1088. 718.2 718.2

1.000 .9517 12.72 7.346 .8506 3097. .2500

551.0 5.045 12.11 6.397 .9119 .1889 .3146

318.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9344

.2045 1433. .3845 .2149E+05 .2564E-01 .2177

5 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1206. 103.7 .4293 608.1 1088. 723.7 723.7

1.000 .9371 12.42 7.058 .8507 2929. .2463

517.8 5.159 11.64 6.157 .9129 .1800 .3174

328.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9138

.1950 1286. .4026 .1929E+05 .2684E-01 .2079

* * *

6 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 132.2 .3668 563.9 1088. 702.4 702.4

1.000 1.000 13.62 8.270 .8400 3640. .2204

660.4 4.734 13.62 7.170 .9088 .2079 .3216

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.000

.2282 1908. .3461 .2862E+05 .2307E-01 .2419

7 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 124.2 .3690 545.4 1044. 665.4 665.4

1.000 1.027 14.11 8.610 .8272 3764. .2205

664.1 5.008 14.49 7.442 .9102 .2206 .3151

273.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.011

.2269 1919. .3460 .2879E+05 .2307E-01 .2420

8 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 118.9 .3726 534.4 1017. 643.0 643.0

1.000 1.046 14.47 8.880 .8151 3873. .2167

670.7 5.182 15.14 7.653 .9110 .2316 .3092

263.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.020

.2247 1929. .3477 .2894E+05 .2318E-01 .2408

9 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 113.6 .3778 524.7 993.8 622.1 622.1

1.000 1.067 14.85 9.181 .7994 4002. .2081

680.1 5.349 15.85 7.902 .9115 .2363 .3131

253.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.032

.2216 1936. .3512 .2905E+05 .2341E-01 .2384

10 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 108.4 .3858 516.4 974.2 604.1 604.1

1.000 1.089 15.25 9.521 .7798 4157. .1925

694.3 5.489 16.60 8.174 .9117 .2451 .3127

243.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.047

.2170 1947. .3567 .2920E+05 .2378E-01 .2347

* * *

11 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 132.2 .3668 563.9 1088. 702.4 702.4

1.000 1.000 13.62 8.270 .8400 3640. .2204

660.4 4.734 13.62 7.170 .9088 .2079 .3216

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.000

.2282 1908. .3461 .2862E+05 .2307E-01 .2419

12 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

2037. 140.9 .3543 548.7 1088. 695.0 695.0

1.000 1.027 14.07 8.780 .8273 3942. .1940

721.8 4.597 14.45 7.580 .9071 .2253 .3147

273.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.036

.2363 2161. .3340 .3242E+05 .2226E-01 .2507

13 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

2037. 134.8 .3563 537.6 1059. 670.5 670.5

1.000 1.046 14.44 9.051 .8152 4050. .1911

725.8 4.779 15.11 7.795 .9080 .2346 .3113

263.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.045

.2350 2170. .3344 .3256E+05 .2229E-01 .2504

14 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

2037. 128.8 .3604 527.7 1033. 647.9 647.9

1.000 1.067 14.83 9.353 .7996 4180. .1836

734.0 4.946 15.82 8.042 .9087 .2403 .3137

253.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.056

.2323 2178. .3370 .3267E+05 .2247E-01 .2484

15 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

2037. 122.9 .3667 519.3 1012. 628.4 628.4

1.000 1.089 15.22 9.694 .7801 4335. .1691

747.0 5.093 16.57 8.315 .9090 .2487 .3138

243.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.070

.2283 2189. .3413 .3283E+05 .2275E-01 .2453

* * *

В результате проведенного математического моделирования климатической характеристики получены графики основных данных и параметров двигателя в зависимости от частоты вращения вала или расхода топлива (см. рисунок 6.1 - 6.4).

Рисунок 6.1 - Характеристика компрессора ГТД-1

Рисунок 6.2 - Зависимость мощности и удельного расхода топлива от температуры на входе.

Рисунок 6.3 - Зависимость удельной мощности и температуры газа

от температуры на входе.

Рисунок 6.4 - Зависимость запаса устойчивости и крутящего момента от температуры на входе

.2 Исследование дроссельной характеристики двигателя

Под дроссельной характеристикой понимают зависимость основных данных и параметров двигателя ГТД от частоты вращения ротора или расхода топлива для заданных условий на входе в ГТД и программы регулирования.

Расчёт будем вести с помощью рекомендаций[7].

Дроссельную характеристику получим с помощью учебных математических моделей (УММ). В УММ для расчета одновальных ГТУ применяется программа mgtd.exe. А также мы будем использовать программу графического сопровождения GRAFXD.exe. После работы с файлом mgtd.dat (это файл исходных данных для расчета характеристики) получаем файл mgtd.rez (таблице 6.3.) (результирующий файл после расчета характеристики). Данный расчёт проводим с учётом что программа регулирования принимается .

Таблица 6.3 - Исходные данные для расчета дроссельной характеристики

26 02 11 mgtd.dat ( Дрос. хар-ка ГТД-1 )

1 1 1 10 10 2

0 0 10 6 1

123 123 123 123 123 123 123 123 123 123

132 132 132 132 132 132 132 132 132 132

13.62 .0000 .0000 8.270 .8400 1088.

100.0 1.0000

.9100 .5545 3.0000 1.0000 1.0000 1.0000

.9700 .9350 .9900 1.0000 .9800 .9850 1.0000 1.0000

.0563 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

15100.0 40.00 .3000E-01 8.000 1600. .8000

9424.8 00.00 1.00 27.00e03 75.00

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.00e02 .00e02 .00e02 .00e02 .00e02 .00e02

1.0000 .9750 .9500 .9250 .9000 .8750 .8500 .8350 .8150 .8000

1.0000 .9700 .9500 .9300 .9100 .8900 .8700 .8600 .8500 .8450

1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000

.0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563 .0563

1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 .1000 .1000 .1000 .1000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.7000 1.0000 1.0000 3.7500 .5000 .7500 .2000 1.0000 2.0000

1.0000 .9600 .9200 1.0400 1.0800 1.1200 .8500 .7000 .6500 .6500

.683 .850 7.940 4.858 1.502 43.00e06 14.80

1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.0000

.0620 2.4000 .1000 .0220 .0102 .1460 .0730 .8500 .2500 .2500

7 6 1 7 6

13.7000 13.0000 12.0000 11.0000 10.5000 10.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

13.4500 12.7500 12.2000 11.0000 10.5000 10.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

13.0000 12.4000 11.7500 11.0000 10.2500 9.5000 .0000 .0000 .0000 .0000

12.4500 12.0000 11.0000 10.0000 9.5000 9.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

11.9500 11.3500 10.5000 9.5000 8.5000 8.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

9.8500 9.6000 9.0000 8.2500 7.5000 7.0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

15.4800 15.5000 15.5000 15.5000 15.5000 15.5000 .0000 .0000 .0000 .0000

15.1800 15.2200 15.2500 15.2600 15.2600 15.2600 .0000 .0000 .0000 .0000

14.8600 14.9400 14.9700 14.9700 14.9700 14.9700 .0000 .0000 .0000 .0000

14.4600 14.5200 14.5500 14.5800 14.5900 14.6000 .0000 .0000 .0000 .0000

13.9400 14.0200 14.0400 14.0700 14.0800 14.0900 .0000 .0000 .0000 .0000

13.2000 13.2600 13.3400 13.3900 13.4300 13.4500 .0000 .0000 .0000 .0000

12.3800 12.4600 12.5600 12.6300 12.6800 12.7000 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

.7600 .7650 .7600 .7500 .7400 .7250 .0000 .0000 .0000 .0000

.7800 .7850 .7850 .7650 .7450 .7300 .0000 .0000 .0000 .0000

.7920 .7970 .7950 .7800 .7600 .7350 .0000 .0000 .0000 .0000

.8020 .8010 .7980 .7850 .7600 .7400 .0000 .0000 .0000 .0000

.8040 .8040 .7990 .7870 .7550 .7300 .0000 .0000 .0000 .0000

.8020 .8040 .7990 .7850 .7500 .7200 .0000 .0000 .0000 .0000

.7990 .7970 .7870 .7590 .7450 .7100 .0000 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

12.0000 14.9300 .7975

1.0609 1.0323 1.0036 .9749 .9462 .9176 .8889 .0000 .0000 .0000

.0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000 .0000

12.0000 14.9300 .7975

1.0609 1.0323 1.0036 .9749 .9462 .9176 .8889 .0000 .0000 .0000

Результаты расчета представлены в файле mgtd2.rez. Расчетные данные дроссельной характеристики занесены в таблице 6.4.

Таблица 6.4 - Результаты расчета дроссельной характеристики

ММ ГТД-1 Дата 26. 2.11

NT= 1 1 NR= 1 10 10 2 NK=0 NQ=0 NMK=1 NL=10 IK=6

DH1= 13.62 .00 .000 8.27 .840 1088.0 100.0 1.000

DH2= .910 .554 3.000 1.000 1.000 1.000

BH= .970 .935 .990 1.000 .980 .985 1.000 1.000

DGT= .056 .000 .000 .000 .000 GDBY= .0000

WP= 15100.0 .0 HU= .4300E+08 LO=14.800

N H MH NP R1 R2 R3 RGOT RGPR RGO1 RGO2 DDT

1 .0 .000 123 1.000 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

2 .0 .000 123 .975 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

3 .0 .000 123 .950 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

4 .0 .000 123 .925 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

5 .0 .000 123 .900 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

6 .0 .000 123 .875 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

7 .0 .000 123 .850 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

8 .0 .000 123 .835 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

9 .0 .000 123 .815 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

10 .0 .000 123 .800 1.000 1.000 .056 .000 .000 .000 .0

RWC=1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000

* * *

ХАРАКТЕРИСТИКА ГТД

СХЕМА ПЕЧАТИ: NE NEY CE TK ТГ TTK TC

П ПП GBП ПК NK MKP DKU

GT AKC GB ПТК NTK LC FC

TB PB ПС ПТС NTC MKC X1

КПД NEЭ CEЭ PЭ CYЭ КПДЭ

* * *

1 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1800. 132.2 .3668 563.9 1088. 702.4 702.4

1.000 1.000 13.62 8.270 .8400 3640. .2204

660.4 4.734 13.62 7.170 .9088 .2079 .3216

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 1.000

.2282 1908. .3461 .2862E+05 .2307E-01 .2419

2 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1667. 122.2 .3765 561.9 1061. 684.0 684.0

1.000 1.000 13.64 8.172 .8400 3540. .2368

627.4 4.990 13.64 7.094 .9106 .2025 .3262

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9851

.2224 1771. .3544 .2656E+05 .2363E-01 .2362

3 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1531. 112.1 .3889 559.8 1034. 665.9 665.9

1.000 1.000 13.66 8.072 .8399 3437. .2538

595.6 5.264 13.66 7.013 .9123 .1987 .3282

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9700

.2153 1632. .3648 .2449E+05 .2432E-01 .2295

4 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1395. 102.0 .4041 557.7 1006. 647.9 647.9

1.000 1.000 13.68 7.969 .8396 3334. .2716

563.9 5.567 13.68 6.929 .9139 .1955 .3293

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9547

.2072 1493. .3776 .2240E+05 .2517E-01 .2217

5 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1259. 91.99 .4232 555.5 979.3 630.1 630.1

1.000 1.000 13.69 7.864 .8392 3230. .2900

533.0 5.896 13.69 6.842 .9153 .1924 .3302

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9393

.1978 1355. .3935 .2032E+05 .2623E-01 .2128

6 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

1122. 81.90 .4476 553.4 952.0 612.3 612.3

1.000 1.000 13.70 7.756 .8386 3124. .3091

502.3 6.262 13.70 6.753 .9167 .1894 .3307

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9237

.1871 1215. .4135 .1822E+05 .2757E-01 .2025

7 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

985.1 71.83 .4804 551.2 924.8 594.8 594.8

1.000 1.000 13.72 7.647 .8378 3019. .3291

473.3 6.652 13.72 6.662 .9178 .1865 .3310

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .9079

.1743 1075. .4403 .1612E+05 .2935E-01 .1901

8 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

903.2 65.82 .5044 549.9 908.5 584.3 584.3

1.000 1.000 13.72 7.579 .8372 2955. .3415

455.6 6.914 13.72 6.607 .9184 .1836 .3332

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .8983

.1660 990.8 .4598 .1486E+05 .3065E-01 .1821

9 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

791.5 57.65 .5459 548.1 886.7 570.6 570.6

1.000 1.000 13.73 7.488 .8363 2869. .3585

432.1 7.294 13.73 6.526 .9191 .1848 .3268

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .8854

.1534 878.7 .4917 .1318E+05 .3278E-01 .1703

10 H= .00 Mп= .0000 dGp= .000 St= .00 Пp=123

709.9 51.69 .5843 546.8 870.4 560.1 560.1

1.000 1.000 13.73 7.419 .8354 2806. .3717

414.8 7.600 13.73 6.472 .9195 .1800 .3325

288.1 .9829E+05 .0000 .0000 .0000 .0000 .8756

.1433 794.1 .5224 .1191E+05 .3483E-01 .1603

* * *

Графические зависимости основных параметров двигателя от режима работы приведены на рисунках 6.5 - 6.9.

Рисунок 6.5 - Характеристика компрессора

Рисунок 6.6 - Зависимость мощности и удельной расход топлива от отборов газогенератора

Рисунок 6.7 - Зависимость КПД компрессора и температуры газа от отборов газогенератора

Рисунок 6.8- Зависимость коэффициента избытка воздуха в камере и крутящего момента от отборов газогенератора

Рисунок 6.9- Зависимость запаса устойчивости от отборов газогенератора

6.3 Анализ полученных результатов эксплуатационных характеристики

Исследование климатической характеристики проведен в интервале температур окружающей среды от -30°С до +55°С. Данный диапазон температур охватывает все возможные области эксплуатации двигателя. Составляем три блока изменения поля температур: в первом блоке температура возрастает в интервале [+15°,+55°] С, в этом случае Тг*=const, это приводит к изменениям параметров Во втором блоке Тн снижается [+15°С, -30°С], при этом для того чтобы удерживать Ne=1800 кВт постоянным, Тг*=var. При этом основные параметры меняются следующим образом В третьем блоке соответственно тоже происходит снижение температуры от +15°С до -30°С, но при этом обеспечиваем условие Nemax=2037 кВт=const, регулируя Тг*.В этом случае Nemax первоначально достигается при Тн=0 С. Графические зависимости изменения основных параметров от Тн представлены на рисунках 6.2…6.4.

Анализ полученных данных расчета дроссельной характеристики показал, что уменьшение расхода топлива приводит к снижению Тг* к снижению КПД ГТУ (рисунок 6.7).

При дросселировании растет коеффициент избытка воздуха камере сгорания, падает крутящий момент, но растет запас ГТУ (рисунки 6.8, 6.9).

При низких приведенных частотах вращения осевые скорости на последних ступенях возрастают, а углы натекания становятся отрицательными. При этом осевые скорости на первых ступенях уменьшаются, а углы натекания увеличиваются. Для приближения углов натекания к оптимальным значениям и увеличения запаса газодинамической устойчивости применяют регулируемые направляющие аппараты и перепуск воздуха.

7. Проектирование входного и выходного устройств

При проектировании газотурбинных установок различного назначения и области применения одним из этапов является аэродинамический расчет и профилирование входных и выходных устройств.

При выборе конструктивной схемы и проектировании входных и выходных устройств турбомашин необходимо учитывать требования, обусловленные назначением и соображениями эффективности и надежности машины.

Так, например, к входному устройству предъявляются такие требования как:

обеспечить равномерный поток, как в окружном, так и в радиальном направлениях на входе в компрессор;

подвод воздуха должен осуществляться с минимальными гидравлическими сопротивлениями;

так как во входных устройствах часто располагают передний подшипник, то корпус должен быть достаточно жесткий, чтобы не деформироваться под действием статических и динамических нагрузок на подшипник.

Согласно основным требованиям, предъявляемым к выходным устройствам газотурбинных установок, устройства должны:

обеспечивать отвод рабочего тела из турбомашины в заданном направлении с минимальными аэродинамическими потерями;

обеспечить равномерное поле давлений за последней ступенью турбины;

обеспечить стационарный устойчивый характер течения на всех режимах работы;

обладать высокой жесткостью

Кроме того, выходные устройства должны обеспечить необходимую степень глушения шума, производимого двигателем.

Целью данного расчета является определение геометрических размеров и основных параметров, характеризующих работу входного и выходного устройств.

.1 Расчет входного устройства

Входным устройством называется часть силовой установки, которая состоит из воздухозаборника, переходных каналов, систем его регулирования и защиты от попадания посторонних предметов. Основная функция ВУ - подача циклового рабочего тела к компрессору ГТУ с минимальными искажениями полей скоростей и давлений, а также с минимальными потерями полного давления на входе в компрессор.

Формулы, используемые при расчете:

где относительная площадь патрубка (степень поджатия патрубка),вх=В*Н;

- степень поджатия коллектора;

-относительный диаметр патрубка

Используемые рекомендации к расчету:

(принимаем 2) при »=3,5…4 (принимаем 4);

=1,25...1,5 (принимаем 1,5);

относительная протяженность входного устройства выбирают в пределах 1,5…2 (принимаем 2);

радиус скругления коллектора R=0,25Do.

Исходные данные берем из согласования:=0.4163 м - наружный диаметр проточной части компрессора;=0.2302 м - втулочный диаметр;=0,0931 - высота проточной части компрессора;

Осевое расстояние от торцевой стенки патрубка до коллектора:к=2* ho=2*0,0931=0,186м.

Площадь в сечение -0-равна F0=(D02-d2)= 0,094, м2.

Площади Fк и Fвх:к=4* Fo=4*0,094=0,378 м2;вх= Fк=0,378 м2.

Диаметр коллектора:

Диаметр патрубка:

= 1,5*Dк=1,5*0.647=0.97 м.

Толщина патрубка (конструктивно длину патрубка берем L=1м):

Ширина патрубка:

Радиус скругления лемнискаты:=0.25*Do=0.25*0.4163 =0.104м.

Рисунок 7.1.1 Схема входного устройства

.2 Расчет выходного устройства

При проектировании газотурбинных установок различного назначения и области применения одним из этапов является аэродинамический расчет и профилирование выходных устройств. Основная задача при этом - получение минимальных потерь полного давления при соблюдении необходимых габаритов.

При выборе конструктивной схемы и проектировании выходного устройства необходимо учитывать требования, обусловленные назначением, соображениями эффективности и надежности установки

Диффузор - это аэродинамическое устройство, предназначенное для преобразования кинетической энергии потока в потенциальную, с возможно большей эффективностью. Осерадиальный диффузор с промежуточным поджатием потока имеет преимущества связанные с конфузорным характером течения при повороте потока и двумя отдельными участками диффузорного типа.

Согласно основным требованиям, предъявляемым к выходным патрубкам газотурбинных установок, патрубки должны:

обеспечивать равномерное поле давлений за последней ступенью турбины;

иметь равномерное поле скоростей на выходе из реактивного насадка;

обеспечивать стационарный устойчивый характер течения на всех режимах работы;

обладать высокой жесткостью;

иметь приемлемые конструктивные габариты.

Создать патрубок, удовлетворяющим всем требованиям, достаточно сложно, и задача состоит в том, чтобы найти компромиссное решение. В основу этого заложены прежде всего требования жесткости, габаритности и обеспечение необходимого направления отвода рабочего тела.

.2.1 Исходные данные

Исходными геометрическими данными являются результаты газодинамического расчёта турбины, и конструктивные особенности переходного канала к выходному устройству, выбранные из конструктивных соображений.=0,304 м- входной диаметр обтекателя;=0,514 м- входной диаметр обечайки;

В настоящее время в энергетических ГТУ применяются осерадиальные диффузоры, для которых отсутствуют жесткие ограничения на предельные габариты. Выходные осерадиальные диффузоры характеризуются радиальностью и удлинением Этот факт объясняет относительно малые потери в них по сравнению с другими диффузорами турбомашин[3]. Следовательно принимаем:

- относительный габарит патрубка;

- удлинение диффузора.

Для диффузоров с промежуточным поджатием оптимальные значения входных углов наклона образующих обтекателя и обечайки составляют соответственно и . Следовательно принимаем:

=2 - входной угол наклона обтекателя, град;

=9.0 - входной угол наклона обечайки, град;

(1/nпов)min=1.01, (1/nпов)max=2.258 - диапазон оптимальных значений степени конфузорности поворотного участка осерадиального диффузора[8].

- длина диффузора;

Степень поджатия потока определим из графика:

Выходной диаметр диффузора определим по формуле:

;

Расчет осерадиального диффузора выполняем на ЭВМ с использованием программы DIFFUZOR.exe. [8].

Программа DIFFUZOR.exeпозволяет выполнять расчет по предварительно заданным габаритным размерам диффузора. При этом его проточная часть профилируется с оптимальной степенью конфузорности на поворотном участке. Кроме того, для диффузора с заданной геометрией программа позволяет определить закон изменения текущей степени расширения по длине его проточной части.

.2.2 Расчета осерадиального диффузора

Массив исходных данных и результатов расчета размещен в файле DIFFUZOR.rez.представленном в таблице 2, изображение проточную часть диффузора рисунок 2, а также изображено изменение степени расширения вдоль средней линии осерадиального диффузора.

Таблица 2- Массив исходных данных и результатов расчета

PACЧЕТ ОСЕРАДИАЛЬНОГО ВЫХОДНОГО ДИФФУЗОРА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПОДЖАТИЕМ ПОТОКА

ИСХ.ДАННЫЕ:

ДАТА: 23 11 10 S= 1.020 Q= 1.080

D1= .30400 D2= .51400 L= .66800 DK= .92500 NP= 2.258

ALFA1= 2.00 R1= .19064 XC1= .47736 RC1= .35943 LK= .10483

ALFA2= 9.00 R2= .13617 XC2= .42699 RC2= .46250 FN= .13492

I NS XS RS LS

0 1.00214 .00827 .05247 .00000

1 1.04844 .03630 .05418 .02816

2 1.09560 .06433 .05589 .05631

3 1.14362 .09235 .05761 .08447

4 1.19250 .12038 .05932 .11263

5 1.24224 .14841 .06103 .14079

6 1.29284 .17644 .06274 .16894

7 1.34430 .20447 .06446 .19710

8 1.39662 .23249 .06617 .22526

9 1.44980 .26052 .06788 .25341

10 1.50384 .28855 .06959 .28157

11 1.55873 .31658 .07131 .30973

12 1.61449 .34461 .07302 .33788

13 1.67110 .37263 .07473 .36604

14 1.72858 .40066 .07644 .39420

15 1.78691 .42869 .07816 .42236

16 1.84610 .45672 .07987 .45051

17 1.97013 .49883 .08351 .49314

18 2.15754 .54012 .08407 .53852

19 2.29853 .57325 .07988 .58369

20 2.30056 .59599 .07075 .62803

21 2.18902 .60713 .06087 .67104

22 2.16381 .61330 .05470 .71140

23 2.25800 .61558 .05242 .75047

NPV= 1.063 NS1= 2.301 NS2= 2.164

коэффициент полных потерь= .401

Рисунок 7.2.1- Диффузор.

Рисунок 7.2.2-Изменение степени расширения вдоль средней линии осерадиального диффузора

.3 Анализ результатов расчета

энергоустановка газотурбинный привод компрессор

На основании выбранных данных была рассчитана конструктивная схема входного устройства, которая обеспечивает равномерный подвод воздуха с наименьшими потерями к компрессору.

На основании полученных результатов расчета был выбран один из вариантов проектируемого диффузора, геометрические параметры которого обеспечивают плавное изменение формы проточной части и необходимое значение степени расширения. Полученный коэффициент полных потерь равен x=0,401

Выводы

В результате проведенного термогазодинамического расчёта были получены основные удельные параметры двигателя Nеуд=132,1 кВтс/кг и Се=0,351 кг/кВтч, при Тг=1088 К и πк*=8,27.

Определили температуру и давление в характерных сечениях, а также параметры основных узлов. Значения удельных параметров соответствуют современному уровню значений для ГТД такого класса.

Полученные данные являются исходными для согласования параметров турбокомпрессора, расчёта компрессоров и турбин.

Средний коэффициент затраченного напора z = 0,2775 осевого компрессора. ТК - с постоянным втулочным диаметром, число ступеней Zт=3, является средненагруженной (μᵶ=4,288).

Рассчитаны значения: Т*, Р*, С в основных сечениях двигателя, а также площади этих сечений.

Проведенный расчёт компрессора с использованием ЭВМ позволил получить: геометрические параметры лопаточных венцов проточной части компрессора, изменения Р, Р*, Т, Т* на среднем радиусе каждой ступени, а также работу и степень повышения давления каждой ступени. Кроме того, были уточнены окончательные размеры проточной части. Все эти данные используются при проектировании решёток профилей многоступенчатого компрессора.

Степень повышения давления pк*: p*ок=8,27,

Частота вращения: n=15100 об/мин,

Число ступеней: Zк=10,

Работа компрессора: L*к =284150 кДж/кг;

КПД компрессора: hк*= 0,8401.

Расчетные параметры не выходят за установленные пределы:

угол входа потока

относительный втулочный диаметр

коэффициент расхода

В результате расчета турбины на ЭВМ определились окончательные размеры проточной части. Определены кинематические параметры потока в характерных сечении.

Обеспечиваем допустимые значения параметров по всем ступеням, , - угол на выходе из рабочего колеса последний ступени в абсолютном движении. Для обеспечения осевого выхода потока.

Степень реактивности в области втулки ρвт на всех ступенях больше нуля. Величина приведенной скорости λ1 на всех ступенях меньше 1…1.05, что снижает уровень волновых потерь. Расходная скорость Са вдоль проточной части увеличивается. Мощность турбины по ступеням распределена так, чтобы коэффициент нагрузки последней ступени не превышал =1,4…1,5, иначе трудно обеспечить выход потока из ступени близкий к осевому.

Исследование климатической характеристики проведен в интервале температур окружающей среды от -30°С до +55°С. Данный диапазон температур охватывает все возможные области эксплуатации двигателя. Составляем три блока изменения поля температур: в первом блоке температура возрастает в интервале [+15°,+55°] С, в этом случае Тг*=const, это приводит к изменениям параметров Во втором блоке Тн снижается [+15°С, -30°С], при этом для того чтобы удерживать Ne=2950 кВт постоянным, Тг*=var. При этом основные параметры меняются следующим образом В третьем блоке соответственно тоже происходит снижение температуры от +15°С до -30°С, но при этом обеспечиваем условие Nemax=3320 кВт=const, регулируя Тг*.В этом случае Nemax первоначально достигается при Тн=0 С. Графические зависимости изменения основных параметров от Тн представлены на рисунках 6.2…6.4.

Перечень ссылок

1. Термогазодинамический расчет газотурбинных двигателей и устано-вок: Учебное пособие / Г.В. Павленко. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. - 63 с.

2. Буслик Л.Н., Ковалев В.И. Согласование параметров и определение основных размеров турбин и компрессоров ГТУ: Учеб. пособие. Харьков 1994г. 3бс.

. Павленко Г.В. Газодинамический расчет осевого компрессора: Учеб. пособие. Харьков «ХАИ» 2006г. 55с.

. Газодинамический расчет осевой газовой турбины / Г.В. Павленко, А.Г. Волов. - Учеб. пособие. - Харьков: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2007. - 76 с.

. В.А. Коваль Профилирование лопаток авиационных турбин: Учеб. пособие. Харьков 1986г. - 48с.

. А.Г. Волов, О.Д. Дегтярев, Г.В. Павленко «Исследование эксплуатационных характеристик газотурбинных двигателей» ч.1 Газотурбинные установки - Сборник лабораторных работ. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац.. ин-т», 2006. - 57с.

. Конспект лекций по дисциплине ГТУ и КС и газотранспортные сети.

. Волов А.Г. Дегтярёв О.Д.Проектирование выходных устройств ГТУ. Учеб.Пособие.

. Ю.Н. Нечаев, Р.М. Федоров «Теория авиационных газотурбинных двигателей» Ч. 2. М., «Машиностроение», 1978, 336 с.

. Ф.М. Муравченко, Б.В. Iсаков, Л.Г. Бойко, Л.М. Буслiк, С.А. Смiрнов, С.К. Чернов “Приводнi Газотурбiннi Двигуни”. Альбом конструктивных схем.. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац.. ин-т», 2006. - 40с.

Передвижная энергетическая установка с газотурбинным приводом

Передвижная энергетическая установка с газотурбинным приводом

Похожие работы на - Передвижная энергетическая установка с газотурбинным приводом