Газотурбинный привод

4. КОМПРЕССОР

4.1 Рабочий процесс в ступени компрессора

Ступень компрессора состоит из рабочих лопаток, расположенных на роторе, и неподвижных лопаток, укрепленных в корпусе.

Удельная работа при идеальном сжатии

(203)

Из-за потерь в ступени реально затрачиваемая работа несколько больше

 (204)

Из треугольников скоростей

(205)

КПД ступени

(206)

Удельная работа ступени

(207)

Так же как и в ступени турбины, в компрессоре часть работы ступени преобразуется в энергию потока в направляющей решетке, а часть в рабочей. Отношение теплоперепада , соответствующего работе сжатия в рабочей решетке, к работе ступени (полному теплоперепаду на ступень) - называют степенью реактивности.

(208)

(209)

4.2 Расчет основных параметров компрессора

Исходные данные для расчета

= 0,96

Т_а - начальная температура воздуха (290 К);

Р_а - атмосферное давление (1,02*10⁵Па);

n = 50 c^-1 - частота вращения вала;

W_а - скорость воздуха во входном патрубке (30 - 40 м/с);

С₀ - скорость газа перед первой ступенью, м/с; (обычно принимается порядка 100 - 150 м/с, в процессе расчета уточняется);

W_в - скорость в патрубке выхода газа ( 30 - 40 м/с);

С_Z - скорость газа за последней ступенью ( принимается порядка 100 - 120 м/с, в процессе расчета уточняется);

С_iS 120 м/с - скорость течения воздуха через свободное сечение рабочих и сопловых решеток.

= 0,9 к.п.д. входного патрубка;

=0,5 к.п.д. патрубка выхода газа;

= 0,88 к.п.д. компрессора;

С_Р - теплоемкость воздуха (1005 Дж/ кг К);

= 0,6

=0,65

Порядок расчета

1. Расчет параметров воздуха перед первой ступенью компрессора

1.1. Плотность воздуха перед компрессором, кг/м³

(210)

1.2. Потеря давления во входном патрубке, Па

(211)

1.3. Давление торможения (полное) перед 1 ступенью, Па

(212)

1.4. Температура воздуха перед первой ступенью, К

(213)

1.5.Давление перед первой ступенью, Па

(214)

1.6. Плотность воздуха в потоке перед первой ступенью, кг/м³

 (215)

2. Расчет параметров первой ступени

2.1. Объемный расход воздуха через первую ступень, кг/с

(216)

2.2. Окружная скорость периферийных концов рабочей лопатки первой ступени, м/с

(217)

2.3. Меридиональная скорость перед первой ступенью, м/с

(218)

2.4. Периферийный диаметр первой ступени компрессора, м

(219)

2.5. Корневой диаметр первой ступени, м

(220)

2.6. Высота рабочих лопаток, м

(230)

3. Расчет параметров воздуха за последней ступенью

3.1. Полное давление воздуха за компрессором, Па

(231)

3.2. Удельные затраты энергии на сжатие воздуха

(232)

3.3. Температура воздуха за компрессором

(233)

3.4. Плотность воздуха за компрессором (по параметрам торможения)

(234)

3.5. Потеря полного давления в патрубке выхода воздуха

(235)

3.6. Полное давление за последней ступенью компрессора, Па

 (236)

3.7. Температура воздуха за последней ступенью, К

(237)

3.8. Давление воздуха за последней ступенью

(238)

3.9. Плотность воздуха за последней ступенью

(239)

3.10. Расчет размеров концевой ступени

3.10.1. С целью уменьшения числа ступеней компрессора, периферийный диаметр рабочих лопаток принимается постоянным по всей длине ротора, т.е.

(240)

3.10.2. Диаметр корневых сечений рабочих лопаток последней ступени

(241)

3.10.3. Высота лопаток последней ступени

(242)

4. Расчет числа ступеней компрессора

4.1. Удельные затраты энергии в компрессоре (теплоперепад), Дж/кг

(243)

4.2. Скорость корневых концов лопаток, м/с

(244)

4.3. Удельный теплоперепад на первой ступени, Дж /кг

) (245)

4.4. Скорость корневых концов лопаток на последней ступени, м/с

(246)

4.5. Удельный теплоперепад на последней ступени, Дж/кг

(247)

4.6. Средний теплоперепад ступеней, Дж/кг

 (248)

4.7. Число ступеней компрессора

(249)

5. Расчет термодинамических и геометрических параметров промежуточных ступеней компрессора

5.1. Распределение энтальпий по ступеням компрессора, Дж/кг

- первая ступень

(250)

- вторая ступень

(251)

-третья ступень

(252)

- -я ступень

(253)

5.2. Распределение температуры по ступеням компрессора

 (254)

- первая ступень

(255)

- вторая ступень

(256)

- третья ступень

--я ступень

(257)

5.3. Распределение температуры по ступеням компрессора, К

(258)

- первая ступень

(259)

- вторая ступень

(260)

- третья ступень

(261)

--я ступень

(262)

5.4. Распределение давлений по ступеням компрессора, Па

(263)

- первая ступень

(264)

- вторая ступень

(265)

- третья ступень

(266)

- -я ступень

 (267)

5.5. Распределение плотности газа по ступеням компрессора

- первая ступень

(268)

- вторая ступень

(269)

--я ступень

(270)

5.6. Распределение объемного расхода воздуха по ступеням компрессора, м³/с

- первая ступень

(271)

- вторая ступень

(272)

--я ступень

(273)

5.7. Площадь проходного сечения для любой - й промежуточной ступени компрессора

(274)

5.8. Диаметр корневых сечений лопаток (внутренний диаметр) любой -й промежуточной ступени компрессора

(275)

5.9. Высота лопаток в -й промежуточной ступени

(276)

Рассчитанные параметры сводятся в таблицу, и по ним строится принципиальная схема компрессора.

5. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ

5.1. Топливо для газотурбинного привода

Топливом для газотурбинного привода обычно служат жидкие и газообразные углеводороды (авиационный керосин, природный и нефтяной газы).

Топливо характеризуется низшей и высшей теплотой сгорания.

Высшая теплота сгорания топлива получается при таком его сжигании, когда образующаяся в результате реакции окисления вода находится в жидком (сконденсированном) состоянии.

Низшая теплота сгорания топлива получается при горении топлива с получением воды в парообразном состоянии.

На практике обычно реализуется способ сжигания топлива с получением низшей теплоты его сгорания.

Величины высшей и низшей теплоты сгорания топлива связаны между собой соотношением

(277)

В соотношении (277)

высшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

«скрытая» теплота парообразования,2512 кДж/кг;

количество водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, кг;

количество водяных паров, образующихся при испарении влаги из одного килограмма топлива, кг;

9 количество водяных паров, образующихся при сжигании водорода, содержащегося в 1 кг топлива, кг.

Для расчета низшей теплоты (кДж/кг) сгорания любого вида топлива применяется формула Д.И.Менделеева

(278)

вода

число атомов углерода;

число атомов водорода;

число атомов кислорода;

число атомов серы.

5.2 Сжигание топлива в камере сгорания

Необходимое количество воздуха для сжигания топлива рассчитывается по формуле

, кг /кг; (279)

коэффициент избытка воздуха, он принимается равным 1,4 - 1,6 в зависимости от конструкции камеры сгорания.

При полном сгорании жидкого топлива образуется 16 - 16,5% СО₂, твердого топлива - 12 - 13,5% СО_2.

Количество подаваемого в зону горения первичного воздуха рассчитывается по формуле

(280)

Экономичность камеры сгорания оценивается её КПД

(281)

величина которого зависит от гидравлического КПД , термического КПД или коэффициента полного сгорания топлива

(282)

количество тепла, выделяющегося в единицу времени при полном сгорании топлива без потерь, Дж/с

(283)

потери тепла, Дж/ с.

Потери тепла в камере сгорания складываются из потерь в окружающую среду и потерь, связанных с несовершенством процесса горения топлива. Для уменьшения потерь в окружающую среду камеру смешения изолируют. В связи с этим потери в окружающую среду невелики. Потери, связанные с несовершенством горения топлива, возникают от его недожога.

(284)

Недожог включает в себя - физический недожог, который образуется из-за неправильно организованного процесса горения. При неправильно организованном процессе сжигания жидкое топливо не успевает газифицироваться, перемешаться с окислителем и уносится из зоны горения. Кроме того, топливо термически разлагается (процесс пиролиза) при недостатке кислорода. В этом случае образуются твердые частицы углерода. Наличие твердых частиц вызывает эрозию проточной части турбины При этом за счет сил адгезии (прилипания) углерод нарастает на лопатках турбины, что приводит к дисбалансу ротора и снижению её КПД. Возникающие отложения в самой камере сгорания приводят к неравномерному нагреву пламенных труб, их колебанию и растрескиванию, а отрывы наростов повреждают проточную часть турбины.

Химический недожог связан с недостатком времени пребывания топлива в зоне горения, и при этом не успевает произойти химическая реакция горения. Химический недожог возникает при недостаточной длине камеры сгорания и переохлаждении её отдельных участков, а также при низкой температуре горения топлива.

Гидравлический КПД камеры сгорания зависит от относительных в ней потерь полного давления

(285)

(286)

полное давление на входе в камеру сгорания и давление, при котором происходит сгорание топлива.

Гидравлические потери обуславливаются трением потока о стенки камеры сгорания, потерями на смешение потоков топлива и окислителя. Относительные гидравлические потери составляют 1 - 3%, КПД камеры смешения

Для надежной работы турбины должно быть равномерное распределение температур за камерой смешения. Допускается относительная неравномерность

(287)

Помимо высокой экономичности и надежности необходимо, чтобы камера сгорания была небольших размеров. Габариты камеры сгорания зависят от теплонапряженности её рабочего объема

(288)

Процесс горения топлива можно разделить на несколько стадий в зависимости от сжигания газообразного или жидкого видов топлива. При сжигании газообразного топлива это: образование горючей смеси, разогрев её, горение, получение горючих газов. При сжигании жидкого топлива вначале происходит пиролизное разложение топлива и испарение капель, а затем процесс горения идет также как при использовании газообразного топлива.

С целью эффективной работы камеры сгорания в её конструкции предусматривают:

разделение пространства внутри пламенной трубы горения и зоны смешения ;

оптимальное распределение топлива по её сечению;

турбулизацию потока в зоне горения;

стабилизацию фронта пламени;

организацию охлаждения основных элементов конструкции.

Для хорошего сжигания топлива необходимо, чтобы температура в зоне горения была 1600 -1800⁰С. Поэтому рабочий объем камеры сгорания условно делят на две зоны - зону горения, в которую подается смесь воздуха и топлива, и зону смешения, в которую подаются продукты сгорания и вторичный воздух.

Вблизи от места подачи топлива в пламенную трубу его перемешивают с первичным воздухом. Для чего поток первичного воздуха турбулизируют и тем самым интенсифицируют процессы тепло - и массообмена.

В связи с тем, что в камере сгорания скорость движения потока значительно выше скорости распространения пламени, то удержания последнего в конструкции камеры сгорания предусматривается источник постоянного зажигания - стабилизатор фронта пламени. Его роль выполняют плохо обтекаемые тела фронтового устройства (завихрители) или дежурные горелки. Завихрители выполняются различных конструкций: конусообразные, лопаточные, диафрагменные и пр. Топливо подается к внешней границе обратных токов, т.к. вследствие высокой турбулизации здесь происходит быстрое перемешивание топлива с первичным воздухом. Горячие продукты сгорания подогревают и испаряют свежие порции топлива, а также постоянно поджигают смесь.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

Схемы газотурбинного привода

Цикл газотурбинного привода с изобарным сгоранием топлива

Термический КПД цикла газотурбинного привода, его выражение через степень повышения давления, степень сжатия и температуры

Идеальный цикл газотурбинного привода со сгоранием при постоянном объеме

Идеальный цикл газотурбинного привода с изобарным сгоранием и с регенерацией тепла

Степень регенерации. Термический КПД идеального цикла с регенерацией тепла

Графическая зависимость термического КПД газотурбинного привода от степени регенерации и степени повышения давления. Оптимальное значение степени повышения давления

Аналитическое выражение степени регенерации от коэффициента теплопередачи, площади теплопередающей поверхности, расхода и теплоемкости воздуха

Удельный расход газа и удельная работа

Коэффициент полезной работы

Цикл со сгоранием при постоянном давлении с учетом потерь

Аналитическая зависимость термического КПД от коэффициента полезной работы и утечек в компрессоре и турбине

Цикл газотурбинного привода с промежуточным подводом тепла и промежуточным охлаждением воздуха

Выбор оптимальных давлений в сложных схемах газотурбинного привода

Сравнительная характеристика простого газотурбинного привода, с приводами с промежуточным охлаждением, с промежуточным подводом тепла, с промежуточным охлаждением и промежуточным подводом тепла

Аналитическое выражение работы газотурбинного привода, расхода воздуха, подаваемого компрессором, расхода топлива, мощности, развиваемой турбиной и компрессором, эффективная полезная мощность газотурбинного привода

Коэффициент полезной работы газотурбинного привода, эффективный КПД

Рабочий процесс в ступени турбины

Усилия, действующие на рабочую решетку

Скорость истечения газа из сопловой решетки, располагаемый теплоперепад, потери энергии в сопловой и рабочей решетках

Коэффициенты скорости для сопловой и рабочей решеток

Относительный лопаточный КПД, характер его изменения от относительных потерь

Мощность, внутренний относительный КПД ступени турбины

Рабочий процесс в многоступенчатой турбине, коэффициент возврата тепла

Охлаждение сопловых и рабочих лопаток турбины

Рабочий процесс в ступени осевого компрессора

Удельная работа при идеальном сжатии воздуха

Степень реактивности, степень сжатия

Аналитическое выражение числа ступеней в компрессоре

Аналитическое выражение периферийного и корневого диаметров для первой ступени компрессора, теплоперепад на ступени

Аналитическое выражение диаметров последней ступени компрессора, теплоперепад на ступени

Удельная работа турбины

Удельная работа компрессора

Топливо для газотурбинного привода.

Высшая и низшая теплота сгорания топлива

Формула Д.и. Менделеева для определения для определения низшей теплоты сгорания топлива

Аналитическое выражение взаимосвязи между низшей и высшей теплотой сгорания топлива

Необходимое количество воздуха для сгорания топлива, коэффициент избытка воздуха

Полнота сгорания топлива

КПД камеры сгорания

Физический недожог топлива

Химический недожог топлива

Относительная неравномерность температур на выходе из камеры сгорания

Процесс горения топлива. Стадии его сжигания. Распределение пространства камеры сгорания

Мероприятия для обеспечения удержания пламени в устойчивом состоянии.

ЛИТЕРАТУРА

Костюк А.Г, Шерстюк А.Н. Газотурбинные установки - М: Высшая школа - 1979 - 254 с.

Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели - Л.: Машиностроение - 1973 - 304 с

Соколов В.С. Газотурбинные установки - М.: Высшая школа - 1986 - 151 с.

Газотурбинные установки - Справочное пособие // Л.В. Арсеньев, Ф.С. Бедчер, И.А. Богов, Е.Е. Левин, В.Г. Тырышкин, Е.А Ходак. - М.: Машиностроение - 1978 - 232 с.

Резин Б.С. Газотурбинные газоперекачивающие агрегаты - М.: Недра - 1986.

Поршаков Б.П. Газотурбинные установки для транспорта газа - М.: Недра - 1982

Арсеньев Л.В., Тырышкин В.Г., Богов И.А., Подобуев Ю.С., Левин Е.Е. Стационарные газотурбинные установки - Л.: Машиностроение - 1989 - 543 с.

Размещено на Allbest.ru

...