Расчёт характеристик газотурбинных энергетических установок

Задание

Выполнить:

1. Расчёт экономичности ГТУ на номинальной мощности.

2. Расчёт экономичности и устойчивости ГТУ на частичных нагрузках.

3. Расчёт показателей долговечности ГТУ.

Исходные данные:

Мощность, N = 11 МВт, Параметры рабочего тела:

— температура атмосферного воздуха T1 = 304 К;

— температура газов за камерой сгорания Т3 = 1210 К;

— степень недоохлаждения, Tохл = 26 оС.

Принципиальная схема установки:

Рис. 1 — 1 — компрессор высокого давления (КВД), 2 — Камера сгорания (КС), 3 — Турбина высокого давления (ТВД), 4 — Компрессор низкого давления (КНД), 6 — Силовая турбина (СТ), 7 — Потребитель мощности (П), 10 — Холодильник (Х) Вспомогательные величины Давление воздуха перед КНД:

Низшая теплотворная способность топлива:

Теплоемкость атмосферного воздуха: срk = 1,01 кДж/кг?К.

Теплоемкость продуктов сгорания топлива: срt = 1,15 кДж/кг?К.

Показатель адиабаты при сжатии воздуха: kk = 1,41.

Показатель адиабаты при расширении продуктов сгорания топлива: kt = 1,33.

КПД КНД:

КПД КВД:

КПД ТВД:

КПД СТ:

КПД камеры сгорания:

Коэффициент учета массы топлива, добавленного в цикловой воздух: .

Коэффициент гидравлических потерь на всасывании КНД: уk1 =0,97.

Коэффициент гидравлических потерь на всасывании КВД (в переходнике):

уk2 =0,99.

Коэффициент гидравлических потерь в камере сгорания: уkс =0,98.

Коэффициент гидравлических потерь в переходнике между ТВД и СТ: уt1 =0,99.

Коэффициент гидравлических потерь в газовыхлопном устройстве: уt3 =0,98.

Предварительное определение оптимальных параметров цикла

где

Предварительное определение оптимальных параметров и цикла дает возможность задаться значениями общего повышения давления в КВД и КНД в предельном интервале для дальнейших расчетов.

робщ = 6,9,12,15,18,21

Расчёт на номинальной мощности

1. Общая степень повышения давления робщ = 6;

2. Степень повышения давления в одном компрессоре

3. Давление воздуха за КНД

4. Относительный температурный теплоперепад в одном компрессоре

5. Потребная работа сжатия КНД

6. Температура воздуха за КНД

7. Температура воздуха перед КВД

8. Давление воздуха за КВД

9. Потребная работа сжатия КВД

10. Температура воздуха за КВД

11. Давление воздуха перед ТВД

12. Работа в ТВД

liтвд = lik1+ lik1 = 103.6+112.5=216.1 кДж/кг Относительный температурный перепад в ТВД

13. Степень понижения давления в ТВД

14. Температура газа перед СТ

15. Степень понижения давления в СТ

16. Относительный температурный перепад в СТ

17. Давление газа перед СТ

кПа

18. Давление газа после СТ

кПа

19. Работа сжатия в СТ кДж/кг

20. Теплота, подведенная в цикл в камере сгорания

кДж/кг

21. Внутренний КПД установки

22. Удельный расход топлива кг/(кВт*ч)

23. Удельный расход воздуха кг/кДж

24. Расход газа через тутбину

G = кг/с Результаты расчетов для различных степеней повышения давления сводим в Таблицу 1.

Таблица 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Выводы: в ходе проделанной работы по расчету характеристик газотурбинной энергетической установки при работе на полной мощности был получен следующий результат. Оптимальная степень повышения давления по полезной работе (полезная работа цикла максимальна) находится около значения ропт = 18, а оптимальная степень повышения давления по КПД (КПД цикла максимальный) находится около значения ропт = 27. Допустим, если мы выберем оптимальную степень повышения давления. ропт = 24, то полезная работа будет отличаться от максимальной в цикле на 3 кДж/кг, что составляет около 2% максимума работы. При этом КПД цикла также будет отличаться на незначительную величину. И чем меньше ропт, тем меньше размеры компрессора. А если бы мы взяли ропт =27, то значительного выигрыша в работе и КПД мы бы не получили, но зато геометрические размеры компрессора были бы значительны.

Следовательно, для дальнейших расчетов выбираем ропт = 24.

Расчёт на частичных нагрузках

При расчёте диапазон мощности установки задаемся от номинальной мощности до холостого хода.

1. Давление газа перед ТВД МПа

2. Эмпирический коэффициент

3. Давление газа за ТВД МПа

4. Степень понижения давления в ТВД

5. Относительный температурный перепад в ТВД

6. Степень понижения давления в СТ

7. Общая степень повышения давления

8. Степень повышения давления в одном компрессоре

9. Относительный температурный перепад в компрессоре

10. Температуры газов перед ТВД К

11. Работа ТВД кДж/кг

12. Работа сжатия в КНД кДж/кг

13. Работа сжатия в КВД кДж/кг

14. Температура газа за ТВД К

15. Относительный температурный перепад в СТ

16. Работа в силовой турбине кДж/кг

17. Температура воздуха за КНД К

18. Температура воздуха за КВД К

19. Давление воздуха за КНД МПа

20. Давление воздуха за КВД МПа

21. Теплота, подведенная в цикл в камере сгорания

кДж/кг;

22.Внутренний КПД

23. Удельный расход топлива ГТУ кг/(кВт*ч)

24. Относительный расход воздуха через КНД

25. Относительный расход воздуха через КВД

26. Расход воздуха через компрессор кг/с

27. Внутренняя мощность установки

кВт

28. Часовой расход топлива

кг/ч

29. Относительная мощность

30. Относительный расход топлива

31. Относительный часовой расход топлива

32. Относительная температура газа на входе в ТВД

33. Относительный КПД Результат расчетов сведем в таблицу.

Таблица 2

Построение линий статических рабочих режимов на универсальной характеристике КНД и КВД

КНД

1.Относительная степень повышения давления воздуха в компрессоре

2. Относительный приведенный расход воздуха через компрессор

3. Приведенная частота вращения компрессора

=

4. Относительная степень повышышения давления компрессора на границе помпажа

5.Относительный приведенный расход воздуха через компрессор на границе помпажа

6.Коэффициент запаса устойчивости КНД

%

КВД

1.Относительная степень повышения давления воздуха в компрессоре

2. Относительный приведенный расход воздуха через компрессор

3. Приведенная частота вращения компрессора

=

4. Относительная степень повышышения давления компрессора на границе помпажа

5.Относительный приведенный расход воздуха через компрессор на границе помпажа

6.Коэффициент запаса устойчивости КНД

%

Таблица 3

Рис. 6 — Зависимость относительных расходов топлива ГТУ от относительной мощности газотурбинный энергетический установка мощность Рис. 7 — Зависимость относительной температуры газа на входе в ТВД от относительной мощности Рис. 8 — Зависимость относительного внутреннего КПД от относительной мощности Рис. 9 — Зависимость температур газа перед турбинами от относительной мощности Рис. 10 — Линия статических рабочих режимов двигателя на универсальной характеристике КВД Рис. 11 — Линия статических рабочих режимов двигателя на универсальной характеристике КНД Рис. 12 — Зависимость коэффициента запаса учтойчивости от мощности Выводы по результатам расчёта на частичных нагрузках: расчет показал, что при понижении мощности установки, снижается экономичность, а именно: уменьшается КПД, увеличивается удельный расход топлива. Причиной этого является следующее обстоятельство: при снижении мощности, уменьшается подача топлива в камеру сгорания, а при этом неминуемо снижение температуры газов перед турбиной. А чем ниже температура газов перед турбиной, тем ниже КПД установки. Также была получена зависимость коэффициента запаса устойчивости в КНД от мощности. Из этого видно, что в КВД коэффициент запаса устойчивости сначала растет, а потом падает и при =0.3 становится равным нулю. В КНД коэффициент запаса устойчивости так же падает и при достижении около 0.1 от номинальной мощности превращается в ноль.

Рассчитанная мной установка будет работать на всех режимах, кроме режимов меньше 0.3 от номинальной мощности.

Расчёт показателей долговечности

I. Расчёт ресурса лопаток турбины высокого давления ГТД по модели Ларсена-Миллера Ресурс определяется зависимостью материала из которого сделан самый напряженный элемент — рабочая лопатка. По ресурсу можно судить о долговечности.

Для каждой совокупности точек графика рассчитываем несколько точек

где P — параметр Ларсена — Миллера, с — параметр, характеризующий рассеивание экспериментальных данных;

с = 20,

ф — ресурс;

Тм — температура материала.

Тм = Т3 — 1/3(Т3 — Т4) ,

где Т3, Т4 — Температуры перед и за ТВД.

Тм = 1210 — 1/3(1210 — 842) = 1087 К.

Зная температуру материала, выбираем материал рабочих лопаток — ЭП — 783.

В матрице М первая колонка — напряжение в металле, МПа;

вторая колонка — температура в 0С;

третья колонка — время до разрушения, ч;

четвёртая колонка — параметр Ларсена-Миллера.

Рис. 13

Уравнение длительной прочности (время до разрушения) в функции температуры металла и параметра Ларсена-Миллера;

II. Метод расчета действующих напряжений в рабочих лопатках от центробежных сил.

Исходные данные для расчета:

1. Расход газа через лопаточный аппарат на полной мощности

G = 40.9 кг/с;

2. Температура газов перед ТВД Т3 = 1210 К;

3. Давление газов перд ТВД р3 = 2,267 МПа;

4.Скорость газа в рабочих лопатках турбины

W = 180 м/с;

5. Газовая постоянная

R = 278,1 кДж/кг.

Расчет:

1. Плотность газа кг/м3.

2. Площадь проходного сечения для прохода газа м2.

3.Частота вращения ротора

n = 3000 об/мин.

4. Коэффициент

5. Напряжение в корневом сечении лопатки вследствии действия центробежных сил

МПа

6. Параметр Ларсена — Миллера Р =

7. Время до разрушения лопаток

=

ч Выводы по расчёту долговечности: при увеличении температуры материала рабочих лопаток, уменьшается напряжение в корневом сечении лопатки; вследствии действия центробежных сил, увеличивается параметр Ларсена — Миллера, а следовательно увеличивается время до разрушения лопаток. В моей работе температура материала имеет среднее значение, и составляет 1087 К. Это значение входит в допустимые пределы, которые составляют для среднего ресурса не менее 25 000 ч (ГОСТ 29 328 — 92). Из-за этого расчитанная турбина с лопатками из материала ЭП — 783 имеет ресурс 92 470 ч.

III. Расчёт предельного числа запусков ГТУ Характеристики материала ЭП — 783 Tм = 1087 К;? = 0,168;? = 280 МПа; Е = 1,65 105 МПа;

Уравнение Мэнсона для расчёта предельного количества запусков Отсюда следует, что предельное количество запусков составляет N = 1237 запусков.

Выводы по расчёту предельного количества запусков ГТУ: в результате расчета было получено предельное количество запусков N = 1237 запусков. Если следовать ГОСТ 29 328–92 «Установки газотурбинные для привода турбогенераторов», то средняя нароботка на отказ от 800 ч (пиковый класс использования) и до 3500 ч (в базовом классе использования). Т. е. полученное количество запусков удовлетворяет ГОСТу.

Выводы по практической работе и анализ полученных результатов:

1) Расчёт ГТУ на полной мощности и на частичных нагрузках показал, что — оптимальными параметрами ГТУ являются ропт = 24, мощность 11 МВт, удельный расход топлива 0,274 кг/кВт*ч, относительный КПД установки 31,3%;

— с понижением мощности снижается экономичность установки, что можно заметить по увеличению удельного расхода топлива с 0,274 кг/кВт*ч на режиме полной мощности до 0,49 кг/кВт*ч на режиме 13.2% от номинала. Причиной этого является то, что при снижении мощности соответственно уменьшается расход топлива в камере сгорания, а, следовательно, уменьшается температура газов за камерой сгорания, в результате уменьшается внутренний КПД установки и повышается удельный расход топлива;

— при уменьшении мощности установки изменяются запасы устойчивости компрессоров. Так, например, для КНД на номинальной мощности? kyкнд = 67%, а на режиме 0.5N составляет 55%. На режимах ниже 0.1N запас устойчивости уменьшается до нуля. На номинальной мощности для КВД? kyквд = 67%, а на режиме 0.5N составляет 29%. На режиме 0.3N — уменьшается до нуля.

Для обеспечения устойчивой работы установки рекомендуется применение антипомпажных устройств: например, поворотных лопаток для первых 2-х ступеней компрессора или стравливание воздуха из проточной части компрессора

2) Для горячих деталей установки выбран материал ЭП-783, при Тм = 1087 К обеспечивает ресурс ч.

3) В результате расчета было получено предельное количество запусков N = 1237 запусков. Если следовать ГОСТ 29 328–92 «Установки газотурбинные для привода турбогенераторов», то средняя наработка на отказ от 800 ч (пиковый класс использования) и до 3500 ч (в базовом классе использования). Из этого следует, что полученное количество запусков удовлетворяет ГОСТу.

4) В целом, по результатам расчётов можно утверждать, что газотурбинная установка соответствует требованиям ГОСТ 29 328–92 к энергетическим установкам промышленности.