Расчет режимных характеристик и рабочей линии ГТУ ГТН-10,5

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Брянский государственный технический университет

Кафедра «Тепловые двигатели»

«Расчет режимных характеристик и рабочей линии ГТУ ГТН-10,5»

Курсовая работа

По дисциплине: «Режимы работы и эксплуатации энергетических машин»

Брянск 2013

Аннотация

В данной курсовой работе произведён расчёт режимных характеристик и рабочей линии газотурбинной установки ГТН-10,5 на переменных режимах работы.

Содержание

Введение

1.      Исходные данные для двухвальной ГТУ и турбины на номинальном режиме

2.      Расчёт режимных характеристик двухвальной ГТУ

.1      Методика расчёта переменных режимов

.2      Результаты расчётов

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В данной курсовой работе произведён расчёт переменных режимов газовой турбины на основе расчёта проекта проточной части и основных характеристик на номинальном режиме работы турбины. Из общей формулы мощности ГТУ N_е = G·H_е видно, что изменение мощности может быть достигнуто путём регулирования расхода газа G и полезной работы H_е.

В зависимости от одного из трёх способов регулирования ГТУ изменение мощности достигается:

1.      В основном за счёт изменения начальной температуры газа перед ГТ (путём изменения подачи топлива в КС), а следовательно и Н_е при n = const и других слабоизменяющихся параметрах: G и π. Это регулирование первого рода или качественное. При этом КПД установки претерпевает наиболее значительное изменение.

2.      Путём одновременного изменения как расхода газа, так и полезной работы. Это регулирование второго рода или смешанное. При этом КПД установки изменяется в меньшей степени, чем при регулировании первого рода.

.        Изменение расхода рабочего тела при неизменных значениях степени повышения давления и температур в характерных точках цикла. Это регулирование третьего рода или количественное. Удельная работа и КПД при этом меняются незначительно или остаются практически неизменными.

Количественный способ регулирования мощности может быть осуществлён только в замкнутых ГТУ путём пропорционального изменения давления во всех точках схемы ГТУ. В ГТУ открытого типа невозможно осуществить пропорциональное изменение давлений во всей схеме, так как нижний уровень давления (атмосферное давление) вообще не может быть изменён произвольно. Поэтому в ГТУ открытого типа при регулировании мощности отношение давлений (π и π_т) и температура Т₁ непрерывно меняются. Удельная эффективная работа Н_е и КПД η_e обычно снижаются вместе с понижением нагрузки (в большей или меньшей степени в зависимости от схемы ГТУ). Поэтому в ГТУ открытого типа осуществляется регулирование первого (качественное) или второго рода (смешанное, или качественно-количественное).

Изменение экономичности ГТУ при частичных нагрузках, очевидно, зависит от того, насколько способ регулирования приближается к количественному. При первом способе регулирования с изменением расхода G происходит резкое изменение Н_е и в этом случае следует ожидать значительного снижения КПД ГТУ при частичных нагрузках (для одновальных ГТУ с генераторной нагрузкой). Если регулирование мощности достигается при существенном уменьшении расхода, то величина Н_е  меняется в меньшей степени, благодаря чему экономичность ГТУ на частичных нагрузках будет более высокой, чем в первом случае (для двухвальных ГТУ с выделенным компрессором).

Из сказанного следует предположение: чем значительнее меняется расход газа при регулировании мощности ГТУ тем более устойчивым должен быть КПД установки.

Принципиальная тепловая схема ГТУ с регенерацией

Принцип действия ГТУ с регенерацией. Всасываемый в компрессор (К) воздух с температурой Т₃ и давлением p₃ сжимается в нём до давления p₄ и приобретает температуру Т₄. Затем сжатый воздух поступает в регенератор (Р), где подогревается до температуры Т₅ и затем направляется в камеру сгорания (КС), где смешивается с топливом. Полученная смесь воздуха и продуктов сгорания после камеры сгорания поступает в турбину высокого давления (ТВД) с температурой Т₁ и давлением р₁. Вал турбины высокого давления вращает вал компрессора. После расширения в турбине низкого давления (ТНД) всё рабочее тело с температурой Т₂ и давлением р₂ поступает регенератор, в котором оно подогревает воздух, идущий из компрессора в камеру сгорания. Вал турбины низкого соединен с валом потребителя (П).

1. Исходные данные для двухвальной ГТУ и турбины на номинальном режиме

Эффективная мощность N_e = 10,5 МВт.

Начальная температура газа Т₁^* = 1343 К.

Температура воздуха перед компрессором Т₃ = 288 К.

Температура газа перед камерой сгорания Т₅ = 816 К.

Степень повышения давления в компрессоре π =7.

Коэффициент избытка воздуха в КС α = 4,28.

К.п.д. компрессора на расчётном режиме η_КО = 0,87.

К.п.д. турбины на номинальном режиме η_ТО = 0,86.

Номинальный режим характеризуется следующими величинами:

Коэффициенты сопротивления для схемы ГТУ с регенерацией:

общий ν = 1,1;

между компрессором и турбиной ν₁ = 1,05;

на выходе из турбины ν₂ = 1,05.

Соответственно относительные потери давления:

ζ = ν - 1 = 1,1 - 1 = 0,1;

ζ₁ = ν₁ - 1 = 1,05 - 1 = 0,05;

ζ₂ = ν₂ - 1 = 1,05 - 1 = 0,05.

Теплоёмкость воздуха (средняя для процесса сжатия)

с_рв = 1,019 кДж/кг;

k_В = 1,391; m_В = 0,281.

Теплоёмкость газа (средняя для процесса расширения)

с_рГ = 1,19 кДж/кг;

k_Г = 1,320; m_Г = 0,242.

Механические к.п.д. турбины и компрессора η_МТ = η_МК = 0,98.

К.п.д. КС η_КС = 0,99; = 0,09;  = 0,97.

Удельная работа компрессора

 = 1,019·288·(7^0,281 - 1)/0,87 = 245,6 кДж/кг.

Удельная работа турбины

= 0,97·1,19·1343·(1 - (7/1,1)^-0,242)·0,86·0,98 = 471,65 кДж/кг.

Удельная эффективная работа ГТУ

 = 471,65 - 245,6 - 0,09·147,36=212,8 кДж/кг,

где  245,6·(1 - 0,4) = 147,36 кДж/кг.

Температура воздуха за компрессором

 = 288·(1 + (7^0,281 - 1)/0,87) = 528,9 К.

Подведенное тепло

 = 1,19·(1343 - 816) ·0,93 = 583,2 кДж/кг.

2. Расчёт режимных характеристик двухвальной ГТУ

2.1  Методика расчёта переменных режимов

Уточнённый расход газа через турбину

 =10500/206,8 = 52,77 кг/с.

Эффективный к.п.д. ГТУ

Наличие баланса мощностей турбокомпрессорного вала (ТВД) приводит к тому, что характеристика турбокомпрессора (режимная линия) является однопараметрической и изображается на диаграмме компрессора одной кривой (рисунок 1).

Отношение давлений ТВД π_Т1 определяются по значениям π_Т формулой:

Температурный коэффициент для ТВД  находится из баланса мощности турбокомпрессорного вала:

где Т₁^* для ТВД и турбины в целом одна и та же.

Для ТНД соответственно будет , где температура перед ТНД

К.п.д. турбин высокого и низкого давления определяются по значениям

 и     

Относительный приведенный расход находится по характеристике компрессора или из выражения

Теоретическая приведенная безразмерная мощность определяется выражением

 и полезная

Рисунок 1 - Универсальная характеристика осевого компрессора ГТН-10,5

Удельный относительный расход тепла определяется из выражения:

Тогда к.п.д. ГТУ  и , где n₂ - частота вращения вала ТНД;  - принимается.

2.2 Результаты расчётов

режим турбина тепловая

Весь расчёт сведён в таблицу 1, из которой ясна принятая последовательность расчётов. По полученным значениям параметров на построены режимные характеристики двухвальной ГТУ (рисунок 2 - 4): .

Таблица 1- Расчёт режимных характеристик двухвальной ГТУ

Рисунок 2 - Режимные характеристики двухвальной ГТУ

Рисунок 3 - Универсальная характеристика двухвальной ГТУ

Рисунок 4 - Режимная характеристика двухвальной ГТУ

Заключение

Сопоставляя результаты расчёта двухвальной ГТУ по таблице 1 и  рисункам 2 - 4, можно отметить следующее:

Для двухвальной ГТУ число режимных характеристик на одну больше, чем для одновальной. Для такой установки диапазон режимов работы неограничен, уверенно можно работать на всех режимах. Зависимости τ = f(N_е) и η = f(N_е) для двухвальной ГТУ более пологие, что свидетельствует о большей пригодности двухвальных ГТУ для работы на переменных режима.

Список используемой литературы

1.         Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г. Комбинированные установки с газовыми турбинами.- Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982.-247 с.

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

.        Кузьмичёв Р.В. Расчёт и проектирование газотурбинных установок газоперекачивающих станций: учеб. пособие.- Брянск: БИТМ, 1988.-88с.

.        Кузьмичёв Р.В. Расчёт тепловых схем и переменных режимов работы газотурбинных установок: учеб. пособие.- Брянск: БГТУ, 1997.-80 с.