Курсовая работа. По дисциплине «инженерно-производственная подготовка:

По дисциплине «Инженерно-производственная подготовка:

научные исследования в энергомашиностроении»

Тема: Расчёт и оптимизация цикла газотурбинной установки

Санкт-Петербург

Аннотация

В данной курсовой работе излагается метод расчёта цикла ГТУ, выполненной по простой тепловой схеме. Расчёт производится для ряда значений степени повышения давления воздуха в компрессоре с использованием термодинамических -функций. В результате расчёта цикла определяется оптимальное значение , которое выбирают исходя из назначения ГТУ, режима её работы, а также возможных заданных ограничений по массе, габаритам, температуре на выхлопе из газовой турбины.

Оглавление

Введение……………………………………………………………………….4

1. Расчёт и анализ цикла ГТУ с регенерацией со сгоранием при Р=const...5

1.1. Исходные данные для расчёта…………………………………………5

1.2. Принципиальная тепловая схема и термодинамический цикл ГТУ в

1.3. диаграмме T-S..........................………………………………...….……6

1.4. Результаты расчёта цикла ГТУ с регенерацией………………………9

1.5. Определение оптимальных степеней повышения давления

и анализ полученных результатов расчёта……………………………16

Заключение…………………………………………………………………....…18

Список литературы…………………………………………………… ……...…19

Введение

Развитие газотурбинных установок (ГТУ) связано с повышением начальных параметров рабочего тела, использованием теплоты уходящих газов и др. Одним из способов использования теплоты уходящих газов в ГТУ. Поэтому, курсовая работа, посвящённая расчёту и сравнительному анализу циклов ГТУ простой схемы и с является актуальной.

Цель работы состоит в расчёте, сравнительном анализе и оптимизации циклов ГТУ со сгоранием при P=const схемы.

Для достижения поставленных целей в работе необходимо решение следующих задач:

- определение термодинамических параметров узлов заданной ГТУ, а именно: расчёт осевого компрессора, камеры сгорания и газовой турбины;

- нахождение оптимальных степеней повышения давления как для ГТУ;

- проанализировать влияние тех или иных параметров на технико-экономические показатели ГТУ и привести графические зависимости, чтобы сравнить их и сделать определённые выводы.

1. Расчёт и анализ цикла ГТУ с регенерацией со сгоранием при Р=const

1.1. Исходные данные для расчёта

- — массовый расход воздуха через компрессор;

- — температура наружного воздуха на входе в компрессор;

- — давление наружного воздуха перед компрессором;

- — температура заторможенного потока перед турбиной;

- — степень регенерации;

- — частота вращения ротора;

- — низшая теплота сгорания топлива;

- — адиабатический КПД проточной части турбины по параметрам торможения;

- — адиабатический КПД проточной части компрессора по параметрам торможения;

- — тепловой КПД камеры сгорания;

- — механический КПД ГТУ;

- — степени повышения давления компрессора.

1.2. Принципиальная тепловая схема и термодинамический цикл ГТУ в диаграмме T-S

На рис.1.1 представлены тепловая схема одновальной ГТУ разомкнутогоцикла с регенерацией и термодинамический цикл в T-S диаграмме.

Рис.1.1. Принципиальная тепловая схема ГТУ и её цикл в Т-S диаграмме

Цикл состоит из процессов:

1-2s — адиабатический изоэнтропический процесс повышения давления (сжатия) воздуха в компрессоре (К);

1-2 — условно-реальный процесс повышения давления воздуха в компрессоре;

2-5 — изобарический процесс подвода теплотык рабочему телу (воздуху) в камере сгорания (КС), за счёт сжигания топлива ();

3-4s — адиабатический изоэнтропический процесспонижения давления (расширение) рабочего тела в газовой турбине (ГТ);

3-4 — условно-реальный процесс понижения давления рабочего тела в газовой турбине;

4-5 — изобарический процесс отвода теплоты в атмосфере от рабочего тела, выходящего из турбины (условный процесс, замыкающий цикл).

1.3. Результаты расчёта цикла ГТУ

Цикл газотурбинной установки рассчитывают при заданной начальной температуре для нескольких значений степени повышения давления в диапазоне, достаточном для определения максимального КПД цикла и максимальной удельной полезной работы (удельной полезной мощности ).

Оптимальное значение выбирают исходя из назначения ГТУ, режима её работы, а также возможных заданных ограничений по весу, габаритам, температуре на выхлопе из газовой турбины. Параметры цикла определяют в следующей последовательности, результаты которой приведены в табл.1.1 для выбранного диапазона значений степени повышения давления .

Результаты расчёта цикла ГТУ

Таблица 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
Компрессор
	Удельная энтальпия наружного воздуха		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухого воздуха (α = ∞, d = 0, R = 286, 99 кДж/кг·К)	293, 250
	Удельная энтальпия потока воздуха			293, 250

Продолжение табл. 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
	Значение функции		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухого воздуха (α = ∞, d = 0, R = 286, 99 кДж/кг·К)	1, 2795
	Полное давление воздуха			99, 83
	Полное давление за компрессором			1197, 96	1297, 79	1397, 62	1497, 45	1597, 28	1697, 11	1796, 94	1896, 77
	Значение функции			15, 354	16, 6335	17, 913	19, 125	20, 472,	21, 7515	23, 031	24, 3105
	Удельная энтальпия в конце изоэнтропического процесса сжатия		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухого воздуха (α = ∞, d = 0, R = 286, 99 кДж/кг·К)	596, 7392	610, 5912	623, 4844	635, 7644	647, 4502	658, 5849	669, 2663	679, 4966

Продолжение табл. 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
	Удельная работа, потребляемая компрессором			357, 0461	373, 3425	388, 511	402, 9581	416, 7061	429, 8057	442, 3721	454, 4077
	Удельная энтальпия воздуха за компрессором			630, 2961	666, 5925	681, 761	696, 2081	709, 9561	723, 0557	735, 6221	747, 6577
	Температура заторможенного воздуха за компрессором		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухого воздуха (α = ∞, d = 0, R = 286, 99 кДж/кг·К)	637, 08	652, 22	666, 37	675, 44	687, 64	699, 94	706, 79	717, 6
	Мощность, потребляемая компрессором			224939, 04	235205, 77	244761, 93	253863, 6	262524, 84	270777, 59	278694, 423	286276, 85
Камера сгорания
	Полное давление перед газовой турбиной			1163, 067	1259, 99	1356, 912	1453, 834	1550, 757	1647, 679	1744, 601	1841, 524
	Удельная энтальпия воздуха в камере сгорания			630, 2961	666, 5925	681, 761	696, 2061	709, 9561	723, 0557	735, 6621	747, 6577

Продолжение табл. 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
	Удельная энтальпия воздуха		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухого воздуха (α = ∞, d = 0, R = 286, 99 кДж/кг·К)	293, 25
	Удельные энтальпии продуктов сгорания		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухих продуктов сгорания (α = 4, d = 0, R = 287, 82 кДж/кг·К)	1703, 007
		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухих продуктов сгорания (α = 4, d = 0, R = 287, 82 кДж/кг·К)	295, 737
	Удельный расход топлива в камере сгорания			0, 0264	0, 0255 ,	0, 0251	0, 02477	0, 02443	0, 0241	0, 0238	0, 0235
Газовая турбина
	Расход газа (продуктов сгорания) через проточную часть газовой турбины			646, 56	645, 99	645, 74	645, 53	645, 32	645, 112	644, 92	644, 73

Продолжение табл. 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
	Коэффициент, характеризующий ту долю охлаждающего воздуха, которая не возвращается в проточную часть турбины	m	По табл. 1.1 методических указаний	0, 77
	Удельный расход воздуха на охлаждение элементов турбины		По табл. 1.1 методических указаний	0, 09
	Коэффициент, учитывающий влияние охлаждения на аэродинамику проточной части турбины		По табл. 1.1 методических указаний	0, 955
	Полное давление газа за турбиной			104, 36
	Степень понижения давления газа в турбине			11, 144	12, 073	13, 002	13, 9309	14, 859	15, 788	16, 717	17, 645

Продолжение табл. 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
	Значение функции		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухих продуктов сгорания (α = 4, d = 0, R = 287, 82 кДж/кг·К)	748, 54
	Значение функции			67, 169	62, 001	57, 571	53, 732	50, 376	47, 411	44, 777	42, 422
	Удельная энтальпия на выходе из турбины		По таблицам термодинамических π (T)-функций для сухих продуктов сгорания (α = 4, d = 0, R = 287, 82 кДж/кг·К)	898, 3322	878, 9017	861, 2944	861, 702	830, 2432	816, 4717	803, 6375	791, 8003
	Удельная работа, развиваемая газовой турбиной			696, 566	713, 38	728, 62	728, 27	755, 50	767, 42	778, 54	788, 78
	Полная удельная энтальпия газа за турбиной			1006, 441	989, 627	974, 387	974, 737	947, 507	935, 587	924, 467	914, 227
	Мощность, развиваемая газовой турбиной

Продолжение табл. 1.1

№	Наименование величины	Обозначение и размерность	Расчётная формула	Степень повышения давления
	Массовый расход топлива в ГТУ			16, 63	16, 06	15, 81	15, 6	15, 39	15, 18	14, 99	14, 8
	Удельный расход топлива, отнесённый к полезной мощности			0, 00007	0, 00007	0, 00007	0, 00007	0, 00007	0, 00007	0, 00007	0, 00006
	Эффективный КПД ГТУ			0, 31	0, 315	0, 32	0, 325	0, 328	0, 33	0, 33	0, 327
	Удельная полезная мощность			343, 53	343, 51	343, 37	328, 33	341, 68	340, 30	338, 66	336, 67
	Полезная мощность на валу ГТУ

1.4. Определение оптимальных степеней повышения давления и анализ полученных результатов расчёта

Рис.1.2. Зависимость () для ГТУ

Рис.1.3. Зависимость () для ГТУ

Исходя из полученных результатов расчёта строят графические зависимости

()являющиеся исходными для определения оптимальной степени повышения давления в цикле ГТУ.

Вид этих зависимостей для цикла ГТУ показан на рис.1.2.

Рис.1.4. Зависимость () для ГТУ

Из графика следует, что если проектировать ГТУ на базовый режим нагрузки, то наибольший КПД будет достигнут при , что повышает эффективность установки, а если же на пиковый режим нагрузки, то максимум удельной полезной работы будет достигнут при когда наиболее важно покрыть требуемую нагрузку.

Заключение

Таким образом, сформулированные выше задачи выполнены, и, следовательно, поставленная цель достигнута.

Список литературы

1. Термодинамический расчёт газотурбинных силовых установок.

В.М. Дорофеев, В.Г. Маслов, Н.В. Первышин и др. – М.: Машиностроение,

1973. – 143 с.

2. Стационарные газотурбинные установки.

Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, И.А. Богов и др. – Л.: Машиностроение,

1989. – 543 с.

3. Паротурбинные и газотурбинные установки. Методические указания к курсовой работе по разделу «Газотурбинные установки».

С.М. Вохмянин, И.А. Богов, А.А. Смирнов, А.П. Безухов, В.В. Толмачев –

2008. – 65 с.