Министерство образования и науки Российской Федерации

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А.А. Григорьев

ТЕОРИЯ, РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

НАЗЕМНОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Конспект лекций

Издательство

Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2012

Рецензенты:

кандидат технических наук А.Л. Полянин

(ОАО «Авиадвигатель»)

доктор технических наук, профессор Р.В. Бульбович

«Пермский национальный исследовательский

политехнический университет»

Изложены вопросы теории газотурбинных двигателей наземного применения, включая термодинамические основы рабочего процесса ГТД. Особое внимание уделяется рассмотрению закономерностей совместной работы узлов ГТД и их эксплуатационных характеристик. Приведены математические модели для расчетного определения оптимальных параметров рабочего процесса, а так же основных параметров ГТД наземного применения.

Предназначено для студентов специальности «Двигатели летательных аппаратов».

Оглавление

Раздел 1 (мод.1). Основы термодинамической работы турбовальных двигателей (тВаД) и процессы, происходящие в отдельных узлах………4

Лекция 1. Назначение и принцип действия ТВаД……………………….4

1. Наземное применение газотурбинных двигателей……………………….4

2. Принцип действия турбовальных двигателей (ТВаД)……………………7

Контрольные вопросы……………………………………………………..10

Лекция 2. Термодинамические циклы ТВаД……………………………11

1. Идеальные термодинамические циклы (ТВаД)………………………….11

2. Термический КПД идеального цикла…………………………………….13

Контрольные вопросы……………………………………………………..14

Лекция 3. Термодинамические циклы ТВаД……………………………15

1. Действительные термодинамические циклы (ТВаД)…………………...15

2. Работа действительного цикла……………………………………………17

3. Эффективный КПД ТВаД…………………………………………………19

Контрольные вопросы……………………………………………………..21

Лекция 4. Особенности схем ТВаД и их узлов…………………………..22

1. Преимущества и недостатки ТВаД различных схем……………………22

2. Особенности конструкции ТВаД со свободной турбиной.……………..23

3. Основные параметры ТВаД……………………………………………….25

Контрольные вопросы……………………………………………………..25

Раздел 2 (мод. 2). Совместная работа узлов и характеристики тВаД..26

Лекция 5. Особенности совместной работы узлов ТВаД………………26

1. Зависимость удельных параметров ТВаД от параметров рабочего процесса: ; …………………………………………………..26

2. Влияние отбора мощности на запас устойчивой работы и основные

параметры ТВаД………………………………………………………...........28

Контрольные вопросы……………………………………………………..30

Лекция 6. Эксплуатационные характеристики ТВаД…………………31

1. Дроссельные характеристики одновального ТВаД……………………...31

2. Дроссельные характеристики ТВаД со свободной турбиной…………..33

3. Климатические характеристики ТВаД…………………………………...34

Контрольные вопросы……………………………………………………..37

Раздел 3 (мод. 3). Расчет тВаД…………………………………………….38

Лекция 7. Основы термогазодинамического расчета ТВаД…………..38

1. Основные этапы расчета ТВаД…………………………………………...38

2. Предварительный расчет ТВаД…………………………………………..41

Контрольные вопросы……………………………………………………..45

Лекция 8. Расчет ТВаД по исходным параметрам рабочего

процесса……………………………………………………………………...46

1. Определение параметров рабочего тела в характерных

сечениях ТВаД…………………………………………………………………...46

2. Определение основных данных ТВаД……………………………………53

Контрольные вопросы……………………………………………………..54

Лекция 9. Геометрический и кинематический расчет………………...55

1. Оценка геометрических параметров характерных сечений ТВаД……..55

2. Определение частоты вращения роторов ТВаД…………………………59

Контрольные вопросы……………………………………………………..62

Библиографический список……………………………………………….63

Раздел 1 (мод.1). Основы термодинамической работы турбовальных двигателей (тВаД) и процессы, происходящие в отдельных узлах

Лекция 1 Назначение и принцип действия ТВаД

Вопросы лекции:

1. Наземное применение газотурбинных двигателей;

2. Принцип действия турбовальных двигателей (тВаД).

1. Наземное применение газотурбинных двигателей (гтд)

П

Рис.1.1. Сравнение габаритных размеров ГТД и дизельного двигателя мощностью 3 МВт.

араллельно с развитием авиационных ГТД началось применение ГТД в промышленности и на транспорте. В 1939 г. Швейцарская фирма A.G. Brown Bonery ввела в эксплуатацию первую электростанцию с газотурбинным приводом мощностью 4 МВт и к.п.д. 17,4 %, которая находится в работоспособном состоянии и в настоящее время. В 1941 г. вступил в строй первый железнодорожный газотурбовоз, оборудованный ГТД мощностью 1620 кВт (2200 л.с.) этой же фирмы. С конца 1940-х г.г. прошлого века ГТД начинают применяться для привода морских судовых движителей, а c конца 1950-х г.г. – в составе газоперекачивающих агрегатов на магистральных газопроводах для привода нагнетателей природного газа.

Быстрому внедрению ГТД в различные отрасли промышленности и транспорта способствовали неоспоримые преимущества этого класса тепловых двигателей перед другими энергетическими установками (паротурбинными, дизельными и др.):

- большая мощность в одном агрегате;

- компактность, малая масса (рис. 1.1);

- уравновешенность движущихся элементов;

- широкий диапазон применяемых топлив;

- легкий и быстрый запуск, в том числе при низких температурах;

- хорошие тяговые характеристики;

- высокая приемистость и хорошая управляемость.

Н

Рис. 1.2. Применение ГТД для прямого привода нагнетателя природного газа

аиболее массовое применение ГТД механического привода находят в газовой промышленности для привода нагнетателей природного газа в составе газоперекачивающих агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов, а также для привода агрегатов закачки природного газа в подземные хранилища (рис. 1.2). К примеру, только в ОАО «Газпром» к настоящему времени эксплуатируются около 3100 газотурбинных двигателей суммарной установленной мощностью свыше 36000 МВт. ГТД используются также для привода насосов, технологических компрессоров, воздуходувок на предприятиях нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и металлургической промышленности. Мощностной диапазон ГТД от 0,5 до 50 МВт.

Основная особенность перечисленного приводимого оборудования – зависимость потребляемой мощности N от частоты вращения n, температуры и давления нагнетаемых сред. Поэтому ГТД механического привода должны быть приспособлены к работе с переменной частотой вращения и мощностью. Этому требованию в наибольшей степени отвечает схема ГТД со свободной силовой турбиной (рис. 1.5), ГТД выполненные по такой схеме получили название – турбовальные двигатели (ТВаД).

ГТД для привода электрогенераторов используются в составе газотурбинных электростанций (ГТЭС) простого цикла и конденсационных электростанций комбинированного парогазового цикла (ПГУ), вырабатывающих «чистую» электроэнергию, а также в составе когенерационных установок (в российской литературе они часто называются «ГТУ-ТЭЦ»), производящих совместно электрическую и тепловую энергию (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Принципиальная схема газотурбинной электростанции

С

Рис. 1.4. Электростанция «Урал-2500»

овременные ГТЭС простого цикла (рис. 1.4), имеющие относительно умеренный электрический КПД _эл=25…40 %, в основном используются в пиковом режиме эксплуатации – для покрытия суточных и сезонных колебаний спроса на электроэнергию. Эксплуатация ГТД в составе пиковых ГТЭС характеризуются высокой цикличностью (большим количеством циклов «пуск-нагружение-работа под нагрузкой-останов»). Возможность ускоренного пуска является важным преимуществом ГТД при работе в пиковом режиме.

Электростанции комбинированного парогазового цикла (см. рис.1.3) используются в базовом режиме (постоянная работа с нагрузкой, близкой к номинальной, с минимальным количеством циклов «пуск-останов» для проведения регламентных и ремонтных работ). Современные ПГУ, базирующиеся на газотурбинных двигателях большой мощности (N>150 МВт), достигают КПД выработки электроэнергии _эл = 58…60 % и являются к настоящему времени самыми совершенными энергосистемами большой мощности.

В когенерационных установках тепло выхлопных газов ГТД используется в котле- утилизаторе для производства горячей воды и (или) пара для технологических нужд или для использования в системах централизованного отопления. Совместное производство электрической и тепловой энергии значительно снижает её себестоимость. Коэффициент использования тепла топлива в когенерационных установках достигает 90%.

Электростанции комбинированного парогазового цикла и когенерационные установки являются наиболее эффективными и динамично развивающимися современными энергетическими системами. В настоящее время мировое производство энергетических ГТД составляет около 12000 штук в год суммарной мощностью около 76000 МВт.

Основная особенность ГТД для привода электрогенераторов – постоянство частоты вращения выходного вала на всех режимах (от холостого хода до максимального) и высокие требования к точности поддержания частоты вращения, от которой зависит качество вырабатываемого тока. Этим требованиям в наибольшей степени соответствуют одновальные ГТД, поэтому они широко используются в энергетике.