Определение основных параметров циклов газотурбинной установки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ухтинский государственный технический университет

(УГТУ)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛОВ ГАЗОТУРБИННОЙ УСТАНОВКИ

Методические указания к контрольным работам по курсу

«Газотурбинные установки»

УХТА 2010

УДК 621.438 (075.8)

К-66

Корж В.В.

Определение основных параметров циклов газотурбинной установки [Текст]: метод. указания к выполнению контрольных работ / В. В. Корж. - Ухта: УГТУ, 2010. - 14 с.

Методические указания предназначены для выполнения контрольных работ по дисциплине «Газотурбинные установки» для студентов 4 курса специальности «Проектирование и эксплуатация магистральных газонефтепроводов» (130501).

Методические указания рассматривают определение основных параметров циклов ГТУ. Содержание указаний соответствует рабочей учебной программе.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ПЭМГ от 05.05.2010 г. пр. № 5.

Рецензент зав. кафедрой ПЭМГ, к.т.н. Агиней Р.В.,

Редактор Леонов И.С.

В методических указаниях учтены замечания рецензента и редактора.

План 2010 г., позиция 84.

Подписано в печать 03.06.2010 г. Компьютерный набор.

Объем 14 с. Тираж 100 экз. Заказ № 243.

© Ухтинский государственный технический университет, 2010

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.

Отдел оперативной полиграфии УГТУ.

169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, 13.



Газотурбинная установка (ГТУ) - машина, преобразующая тепловую энергию, получаемую в результате сжигания топлива в потоке сжатого воздуха в механическую.

Основными элементами ГТУ являются: осевой компрессор (ОК), камера сгорания (КС) и газовая турбина (ГТ). Принципиальная схема ГТУ представлена на рис. 1.

Рис. 1 - Принципиальная схема простейшей ГТУ: ОК - осевой компрессор; КС - камера сгорания; ГТ - газовая турбина; П - привод; Т - температура; G - количество воздуха, газа, продуктов сгорания

В идеальном виде рабочие процессы ГТУ происходят следующим образом. Воздух из окружающей среды засасывается компрессором, сжимается адиабатно до требуемого давления и подается в камеру сгорания, в нее же подается газообразное топливо, которое там и сгорает. Продукты сгорания при требуемой температуре, регулируемой количеством воздуха (который подается с большим избытком в камеру сгорания, чтобы обеспечить приемлемые температуры продуктов сгорания), поступают в сопла ГТ, где их энергия в процессе адиабатного истечения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины, где кинетическая энергия газа расходуется на вращение вала установки и передается на привод нагнетателя природного газа. Цикл ГТУ, изображенный на Т,s-диаграмме (рис. 2), состоит из следующих процессов:

адиабатное сжатие воздуха в компрессоре (линия 1-2);

изобарный подвод тепла qt в камеру сгорания (линия 2-3);

адиабатное расширение продуктов сгорания в ГТ (линия 3-4);

замыкающего изобарного процесса, в котором от рабочего тела отводится тепло q2 (линия 4-1).

Рис. 2 - Цикл ГТУ в Т, s - диаграмме

Термический к. п. д. установки определяется из выражения:

.

При сокращении на cр и вынесении за скобки в числителе Т1, а в знаменателе Т2 получим



.

Из сопоставления адиабат 1-2 и 3-4 следует, что

,

.

Отношение называется степенью повышения давления. Так как

,

.

Реальные циклы отличаются от идеальных тем, что в действительных циклах учитываются неизбежные тепловые потери. На рис. 2 показан в T,s - диаграмме реальный цикл ГТУ, протекающий с потерями. Сжатие воздуха происходит с потерями тепла по политропе 1-5.Потери в компрессоре обычно оценивают относительным внутренним к. п. д. , который приближенно определяют, полагая, что в процессе :



.

Расширение рабочего тела в ГT совершается с потерями и сообразно с этим отображается некоторой политропой 3-6. Потери в ГТ характеризуются относительным внутренним к.п.д., который в предположении, что , определяют по формуле

.

Внутренний к. п. д. ГТУ, принимая , определяют по формуле

,

где - работа расширения газа в турбине;

- работа сжатия воздуха в компрессоре;

- количество тепла, подведенного к циклу, которое пропорционально площади b53cb (см. Т , s- диаграмму-рис. 2).

Мощность, развиваемая компрессором и газовой турбиной соответственно равны:

;

;

где - расход рабочего тела через газовую турбину, (кг/с);

- расход воздуха через компрессор, (кг/с).

Мощность, развиваемая ГТУ находится из разности мощностей газовой турбины и компрессора

.

Для упрощения расчета принимаем и .

Студентам необходимо выполнить две контрольные работы. Выбор варианта проводится по двум последним цифрам зачетной книжки. Если число больше предложенных в вариантах заданий, то вариант выбирается путем сложения двух последних цифр зачетной книжки

При выполнении контрольных работ отвечать на вопрос рекомендуется конкретно и кратко. При расчетах следует использовать Международную систему единиц (СИ). Оформление контрольных работ должно соответствовать требованиям, установленным в Ухтинском государственном техническом университете.

Контрольная работа №1

В контрольной работе № 1 следует ответить на вопросы теоретического характера:

1) Назначение КС. Виды ГПА.

2) Конструкция камеры сгорания ГТК-10-4.

3) Какая система смазки применяется на двигателе ГТК-10-4, перечислите состав агрегатов системы и их назначения.

1) Конструктивные особенности ГТ.

2) Конструкция маслонасосов на двигателе ГТК-10-4.

3) Система САР: включение и работа турбодетандера.

1) Состав МГ.

2) Циклы ГТУ в координатах P-V и P-S диаграммах.

3) Защита ГПА.

1) Система пускового газа.

2) Система регулирования ГТК-10-4: агрегаты и их назначение.

3) Аккумулятор масла: назначение, конструкция и его работа.

1) Система топливного газа.

2) Конструкция и работа лабиринтных уплотнений ОК.

3) Типы хвостовиков рабочих лопаток ОК и способы их установки.

1) Система импульсного газа.

2) Камера сгорания: типы камер сгорания, достоинства и недостатки.

3) Система уплотнения нагнетателя Н 370-18.

1) Принцип работы ГТУ.

2) Конструкция ГТК-10-4.

3) Маслосистема ГТУ: основные функции и состав.

1) Статор ОК.

2) Топливная система ГТК-10-4, основные функции.

3) Лопатка, требования к ним. Причины вибрации и методы борьбы с ней.

1) Использование тепла уходящих газов (утилизация ПТУ).

2) Маслосистема ГТК-10-4: работа маслосистемы при запуске и работе двигателя.

3) Технико-экономические показатели ГТУ.

1) Турбинная ступень реактивного типа.

2) Система уплотнения нагнетателя.

3) Опоры подшипников: классификация, достоинства и недостатки.

1) Корпус ГТ.

2) Лабиринтные уплотнения: где применяются, принцип работы.

3) Способы регулирования ГТУ.

3) Степень регенерации.

1) САР: функции, воздушные системы используемые в САР ГТК-10-4.

2) Камера сгорания, коэффициент избытка воздуха и принципы рабочего процесса КС.

1) ГТУ с регенерацией тепла.

2) Совмещенная характеристика ОК и ГТ (одновальная схема).

3) САР: регулятор скорости, назначение, конструкция, принцип работы.

1) Узел подключения КЦ.

2) САР: регулирующий и стопорные клапана, назначение, конструкция и работа.

3) Турбина: тепловой удар, охлаждение деталей турбины.

1) Помпаж.

2) САР: ограничитель приемистости, выпускной воздушный клапан, назначение, конструкция и принцип работы.

3) Совмещенная характеристика ОК и ГТ (двухвальная схема).

1) Газовая динамика ГТ.

2) Маслосистема: система отсоса масляных паров на газотурбинной установке ГТК10-4.

3) САР: отсечной золотник, расцепное устройство турбодетандера, назначение, конструкция и принцип работы.

1) Газовая динамика ОК.

2) САР: регулятор давления воздуха «после себя», импеллер, назначение, конструкция и принцип работы.

3) Маслосистема: рама-маслобак, назначение, конструкция и принцип работы.

1) Турбинная ступень активного типа.

2) САР: пневматический и гидравлический электромагнитный вентили, назначение, конструкция и принцип работы.

3) Центробежный нагнетатель: классификация и основы динамики нагнетателя.

1) Подшипники ТНД.

2) САР: реле осевого сдвига двигателя ГТК-10-4 и нагнетателя, назначение, конструкция, рабочее тело, принцип работы.

3) Нагнетатель, работа подшипников скольжения в нагнетателе.

1) Топливо.

2)САР: автоматы безопасности, пневматический выключатель, кнопка управления,назначение, конструкция и принцип работы.

3) Характеристика нагнетателя, характерные точки и зоны.

1) Конструктивные особенности ОК.

2) Пуск нагнетателя.

3) Тепловые двигатели. Определение ГТУ. История создания ГТУ.

1) Схемы и циклы ГТУ.

2) Система автоматического регулирования ГПА (САР ГПА) основные функции.

3) Структура парка ГПА.

1) Использование тепла уходящих газов (регенерация).

2) Соединение ГПА с нагнетателем, назначение, конструкция, смазка, принцип работы.

3) Основные узлы камеры сгорания.

1) Ротор силовой ГТ.

2) Тепловая схема ГТК-10-4, параметры (T, P, G) температура, давление, расход воздуха по узлам ГТК-10-4.

3) Универсальная характеристика ОК и ГТ одновального ГТУ.

1) Назначения уплотнений ОК и ГТ.

2) Пути совершенствования ГТУ.

3) Схема, принцип работы и преимущества двухвального ГТУ.

1) Конструкции роторов ГПА.

2) Повышение эффективности использования продуктов сгорания.

3) Схема, принцип работы и преимущества двухвального ГТУ с регенерацией тепла.

1) Конструктивные особенности лопаток ОК и ГТ.

2) Смеха, принцип работы и преимущества двухкаскадного трехвального ГТУ.

3) Влияние параметров атмосферного воздуха на мощность ГТУ (температуры наружного воздуха, атмосферного давления, влажности воздуха)

1) Особенности эксплуатации ГПА при низких температурах.

2) Турбодетандер: назначение, конструкция.

3) Термодинамические процессы.

1) Очистка ОК в процессе эксплуатации.

2) Пакет нагнетателя без горизонтального разъема.

3) Опорно-упорный подшипник: назначение, конструкция.

1) Назначение валоповоротного устройства и турбодетандера.

2) Ротор нагнетателя: назначение, конструкция.

3) Работа маслоснабжения.

Контрольная работа №2

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИКЛОВ ГТУ»

Условие задачи для вариантов с 1 по 10

Начальные параметры воздуха, поступающего в компрессор ГТУ со сжиганием топлива при постоянном давлении равны, бар, °C. Давление воздуха за компрессором . Температура газов перед соплами турбины равна °С. Рабочее тело обладает свойствами воздуха, теплоемкость его равна кДж/кг?К. Компрессор засасывает кг/ч воздуха. Показатель адиабаты принять равным .

Определить:

1. Параметры всех точек идеального цикла ГТУ, термический к.п.д. ГТУ, теоретические мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

2. Параметры всех точек действительного цикла, приняв внутренние относительные к.п.д. турбины и компрессора соответственно и .

3. Внутренний к.п.д. ГТУ, действительные мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

4. Представить оба цикла в Т, s - диаграмме.

Параметры для каждого варианта заданы в таблице 1

Таблица 1

Параметры	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
G, кг/ч?105	3	3,5	4	4,5	4,7	5	5,2	5,5	5,7	6
Р2,бар	4	4,5	5	5,5	6	6,3	6,5	7	7,2	7,5

Условие задачи для вариантов с 11 по 20

Для ГТУ, в которой сжигается топливо при известно: бар, бар, °С. Рабочее тело обладает свойствами воздуха, теплоемкость его равна кДж/кг?К. Компрессор засасывает G кг/ч воздуха. Показатель адиабаты принять равным .

Определить:

Параметры всех точек идеального цикла ГТУ, термический к.п.д. ГТУ, теоретические мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

Параметры всех точек действительного цикла ГТУ, приняв внутренний относительный к.п.д. турбины и компрессора соответственно и .

Внутренний к.п.д. ГТУ, действительные мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

Представить оба цикла в Т, s-диаграмме.

Параметры для каждого варианта заданы в таблице 2



Таблица 2

Параметры	Варианты
	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
G, кг/ч?105	3	3,4	4	4,6	5	5,4	5,7	5,9	6	6,3
,єС	200	210	215	217	220	225	227	230	233	237

Условие задачи для вариантов с 21 по 30

Начальные параметры воздуха, поступающего в компрессор ГТУ со сжиганием топлива при постоянном давлении , равны, бар, °C. Температура газа перед соплами турбины °С. Термический к.п.д. установки равен . Рабочее тело обладает свойствами воздуха, теплоемкость его равна кДж/кг?К. Компрессор засасывает т/ч воздуха. Показатель адиабаты принять равным .

Определить:

Параметры всех точек идеального цикла ГТУ, теоретические мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

Параметры всех точек действительного цикла, приняв внутренний относительный к.п.д. турбины и компрессора соответственно и .

Внутренний к.п.д. ГТУ, действительные мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

Представить оба цикла в Т, s-диаграмме.

Параметры для каждого варианта заданы в таблице 3

Таблица 3

Параметры	Варианты
	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
	0,4	0,402	0,405	0,41	0,413	0,415	0,42	0,425	0,43	0,438



ПРИМЕР РАСЧЕТА ЦИКЛА ГТУ

Условие:

Начальные параметры воздуха, поступающего в компрессор ГТУ со сжиганием топлива при постоянном давлении , равны бар, °C. Степень повышения давления в компрессоре ГТУ равна . Температура газов перед соплами турбины равна °C. Рабочее тело обладает свойствами воздуха, теплоемкость его равна кДж/кг?К. Компрессор засасывает кг/ч воздуха. Показатель адиабаты принять равным .

Определить:

Параметры всех точек идеального цикла ГТУ, термический к.п.д. ГТУ, теоретические мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

Параметры всех точек действительного цикла ГТУ, приняв внутренние относительные к.п.д. турбины и компрессора соответственно и . Внутренний к.п.д. ГТУ, действительные мощности турбины, компрессора и всей ГТУ.

Представить оба цикла в Т, s- диаграмме.

Примечание Единицы измерения всех параметров необходимо выразить в системе СИ

Например, °C, в системе СИ T1=20+273 =293 К

РЕШЕНИЕ

1. Температура в точках идеального цикла рассчитывается следующим образом.

К;

?C.



Из сопоставления адиабат 1-2 и 3-4 следует, что

и К;

?C.

2. Термический к.п.д. равен:

.

3. Теоретические мощности следующие:

- турбины

кВт,

где кг/чкг/с,

;

- компрессора

кВт.



-ГТУ

кВт.

4. Температуры в точках реального цикла рассчитывается следующим образом.

Внутренний относительный к.п.д. компрессора

из данной формулы находим реальную температуру на выходе из компрессора Т5

К;

єC.

газотурбинный установка мощность компрессор

Внутренний относительный к.н.д. турбины

из формулы для внутреннего относительного к.п.д. находим реальную температуру на входе в газовую турбину

К.

єC.



Внутренний к.п.д. ГТУ определяется:

.

Действительная мощность турбины равна

кВт.

Действительная мощность компрессора равна

кВт.

кВт.

Действительная мощность ГТУ равна

кВт.

9. Представим оба цикла в Т, s - диаграмме.

Известно: Т1 = 293 К, Т2 = 489 К, Т3 = 973 К, Т4 = 583 К, Т5 = 524 К,

Т6 = 634 К.

Для построения идеального цикла в Т, s - диаграмме найдем энтропию, то есть S в точках 1, 2, 3, 4 по следующим формулам:



Зная Т1, Т2, Т3, Т4 и S1, S2, S3, S4 строим Т, s - диаграмму идеального цикла

10. Зная Т5 и Т6 графическим методом определяем точки 5 и 6 и строим Т, s - диаграмму реального цикла.

Рис. 3



Библиографический список

1. Костюк А.Г. Газотурбинные установки [Текст]: учеб. пособие для вузов / А.Г. Костюк, А.Н. Шерстюк. - М.: Высш. шк., 1979. - 254 с.

2. Ревзин B.C. Газотурбинные установки с нагнетателями для транспорта газа [Текст]: справ. пособие / В.С. Ревзин, И.Д. Ларионов. - М.: Недра, 1991. - 303 с.

3. Теплотехника [Текст]: учеб. пособие / М.М. Хозен, Г.А. Матвеев, M.E. Грицевский, Ф.П. Казакевич; под ред. Г.А. Матвеева. - М.: Высш. школа, 1981. - 480 с.

Размещено на Allbest.ru

...