5. Газодинамічний розрахунок гтд

Метою газодинамічного розрахунку є визначення діаметральних розмірів у характерних перерізах проточної частини установки, кількості роторів і частот їх обертання, числа ступенів компресора і турбіни, розподілу роботи стиснення (розширення) між каскадами та ступенями, уточнення параметрів ГТУ.

В якості вихідних даних використовуються результати термодинамічного розрахунку дійсного циклу установки.

У процесі газодинамічного розрахунку, спираючись на статистичні дані виконаних конструкцій ГТУ, вибирають осьову складову швидкості повітря на вході в компресор – с_ва і колову швидкість на зовнішньому діаметрі робочого колеса першого ступеня компресора u_вк. Зазначені параметри значною мірою визначають діаметральні габарити ГТУ, число ступенів компресора і турбіни, а також осьові габарити і масу установки.

Визначення діаметральних розмірів на вході в компресор

Для сучасних ГТУ з силовою турбіною - с_aв=165 м/с;[]

Обчислюють зведену швидкість λ_а і функцію щільності потоку q(λ_a)

;

;

При k = 1,4;

Знаходимо площу проточної частини на вході в компресор:

м²;

де m_п = 0,0403.

Обираємо відносний діаметр втулки робочого колеса

=0,35 м;

Визначаємо зовнішній діаметр РК на вході в компресор:

м;

Обчислюємо діаметр втулки та середній діаметр:

м;

h_в = (D_в.к – D_в.вт)/2=0,5(0,387-0,135)=0,126 м;

м;

де h_в довжина лопатки першого ступеня компресора на вході

Визначення діаметральних розмірівна виході із компресора

Задаємося осьовою складовою швидкості повітря на виході з компресора с_ак=120 м/с;

Обчислюємо зведену швидкість:

Знаходимо функцію щільності потоку за формулою:

q(_ак) = 1,5774_ак(1 – 0,166²_ак)^2,5=1,5774*0,282*(1-0,166-0,282²)^2,5=0,44

Знаходимо площу проточної, діаметри і обираємо профіль частини на виході з компресора:

м²;

Обираємо профіль D_к.к = D_вк = 0,387 = const

м;

Висота лопатки на виході із компресора:

м;

м;

Визначення кількості ступенів і розподіл роботи стиснення повітря в однокаскадному компресорі

У випадку, коли ^*_к> 12–13 компресор виконують двокаскадним, який складається з компресорів низького (КНТ) та високого (КВТ) тисків. В моєму випадку ^*_к=7.22, тому компресор одно каскадний і складається тільки з компресора низького тиску (КНТ).

Визначаємо роботи КНТ з умови

L_кнт =0,45L_к=1,03∙10⁵ Дж/кг;

Знаходимо степінь підвищення тиску ^*_к.н за формулою:

^*_к.н =[1 + ^*_кнд L_кнд (k – 1) / (kRТ_н)]^{k/(k – 1)}= (1+(0,887 * (1,138∙10⁵ )^0.41) / (1,41 * 287-288))^1,41/0,41 =2.402;

Величину ККД КНТ приймають на 1–2 % більшою за

прийняту в термодинамічному розрахунку величину ^*_к

^*_кнд=0,98;

Тиск повітря р^*_кндтемпературу Т^*_кнд за КНТ знаходять за формулами:

р^*_кнд = ^*_к.нр^*_в = 2,402*101325=2,361∙10⁵ Па;

Т^*_кнд = Т^*_в[1 + (^*_к.н^{(k – 1)/k} – 1)/ ^*_к.н] = 288[1+(2,402^0,41/1,41-1)/0,98]=371,62 К;

Визначаємо швидкості повітря за КНТ:

с_кнд = 0,5(с_в + с_к)=0,5(165+120)=142,5 м/с;

Обчислюємо величини критичної і зведеної швидкостей за КНТ і функцію щільності потоку:

м/с;

_кнд = с_кнд/с_кр.кнд= 142,5/352,777 = 0,404;

q(_кнд) = 1,577_кнд(1 – 0,166²_кнд)^2,5 = 0,595;

Знаходимо площу проточної частини за КНТ:

м²;

Визначаємо діаметральні розміри профілю за КНТ:

м;

h_кн = (D_вк – D_кнвт)/2=0,5(0,387-0,268)=0,059 м;

м;

Приймаємо, що швидкість на зовнішньому діаметрі КНТ рівною 280м/с

Обчислюємо колову швидкість біля втулки РК:

u_1вт = u_вкD_вк/D_к.вт= 280*0,387/0,329 = 97,822 м/с;

Визначаємо закрутку потоку повітря:

w_u1.вт1 = 1,55с_ав/[1 + 1,5/(b/t)_вт1] = 1,55*165/(1+1,5/1,8)=139,5 м/с;

Робота, яку передаються лопатки повітрю:

L_1.вт = u_1.втw_u1.вт1 = 97,822*139,5 = 1,365∙10⁴ Дж/кг;

В тій же послідовності визначаємо роботу біля втулки РК останнього ступеня:

u_2вт = u_вкD_вк/D_к.вт= 280*0,387/0,329 = 194,22 м/с;

(b/t) = 1,6;

w_u2.вт2 = 1,55с_ав/[1 + 1,5/(b/t)_вт1] = 1,55*142,5/(1+1,5/1,6)=114 м/с;

L_2.вт = u_2.втw_u2.вт2 = 194,22*114 =2,214∙10⁴ Дж/кг;

L_сер.вт=0,5*( L_1.вт+ L_2.вт) =0,5*(1,365∙10⁴+2,214∙10⁴)= 1,789∙10⁴ Дж/кг;

Визначаємо кількість ступенів КНТ:

;

Розподіл роботи між ступенями представляють у вигляді табл. 1.4

	1	2	3	4	5	6

Табл. 1.4 Залежність роботи від абсолютної швидкості у КНД

Визначення діаметральних розмірів на вході в турбіну компресора та кількість її ступенів

Площу попереднього перерізу проточної частини на виході з першого соплового апарата знаходять за формулою:

G_г=G_в*(1+gt)*(1-g_охл-g_в)=17,862*(1+0,013)*(1-0,05-0,01)=17,004

м²;

Задаємося середнім діаметром турбіни:

_м;

_{Довжина лопатки:}

_м;

Зовнішній діаметр робочого колеса:

м;

Діаметр втулки:

м;

Знайшовши величину колової швидкості на середньому діаметрі турбіни компресора:

u_т.к.сер = u_в.кD_г.сер/D_в.к= 280*0,406/0,387 = 294 м/с;

Визначення діаметральних розмірів та числа ступенів турбіни низького тиску.

Для визначення геометричних розмірів ТНТ спочатку обчислюють її роботу і L_тнт за формулами:

L_тн = L_т.к – L_т.в=-1,346∙10⁵= 1,082∙10⁵ Дж/кг;

Температуру Т^*_гн та тискр^*_гн за ТНТ знаходять за формулами:

Т^*_гн = Т^*_г – L_тн(k_г – 1)/(k_гR_г)=1065-1,082∙10⁵×(1,33-1)/(1,33×287,3)=1,065∙10³ К;

Па

Площа поперечного перерізу соплового апарата на вході в ТНТ знаходиться за формулою:

м²;

де m_г = 0,0309; _п = 0,99; q(_гн) = 1; ₁ = 20.

Висота лопатки на вході в турбіну низького тиску (ТНТ)

h_т = F_гн/(3,14D_г.сер)=0.077*(3.14*0.406)=0,06 м;

Зовнішній діаметр на вході в турбіну високого тиску

D_г.ктвт = D_г.сер + h_г=0.406+0,06=0.466 м;

Втулочний діаметр на вході в турбіну високого тиску

D_т.вт = D_г.сер – h_г=0.406-0,06=0.345 м;

Приймаємо коефіцієнт µ=0,48.

Величина колової швидкості

U_тнср=(_Uкндк*D_г.ср)/D_кк =(280*0,406)/0,386=294 м/с;

Визначаємо орієнтовну кількість ступенів

Уточннємозначення μ

Визначення діаметральних розмірів на вході в СТ та на виході з неї, кількість ступенів СТ.

Визначаємо площу поперечного перетину на вході в силову турбіну:

G_ст=G_в*(1+gt)*(1-g_в)=17,862*(1+0,015)*(1-0,01)=17,908

Так як форма проточної частини D_сер=const, то висота лопатки:

_м;

Зовнішній діаметр робочого колеса:

м;

Діаметр втулки:

м;

Визначаємо площу поперечного перерізу на виході із СТ:

м²;

Висота лопатки, на виході із СТ:

, м;

Зовнішній діаметр робочого колеса на виході із СТ:

, м;

Діаметр втулки на виході із СТ:

, м;

Обираємо величину колової швидкості:

u_с.т.сер.=225м/с

Знаходимо кількість ступеней СТ:

;

Знаходження потужностей та частот обертання роторів у компресорах і турбінах.

Потужності, які виробляються турбіною компресора:

N_т.к = G_тL_т.к=17,004×=4,128 , МВт;

Турбіною низького тиску:

N_т.н = G_тL_т.н=17,004×1,83∙10⁵=1,839 , МВт;

Компресора низького тиску:

, об/хв;

Силової турбіни:

, об/хв.