Газодинамический расчет турбин по среднему диаметру и с учетом закрутки

СОДЕРЖАНИЕ



	Основные условные обозначения, индексы и сокращения	2

Перечень листов графических документов…………………………………………………….4

	Введение	5

		1.	Тепловой расчет цикла ГТУ	6

	   1.1. Тепловая схема	6

	   1.2. Предварительный тепловой расчет	7

	   1.3. Уточненный тепловой расчет ГТУ	12

		2.	Моделирование осевого компрессора	21

		3.	Газодинамический расчет турбин по среднему диаметру и с учетом закрутки	19

	3.1. Газодинамический расчет турбины высокого давления (ТВД).	19

	3.1.1. Предварительный расчет ТВД.	19

	3.1.2. Газодинамический расчет ТВД по среднему диаметру	22

	3.1.3. Расчет ТВД с учетом закона закрутки	25

		3.2.	Газодинамический расчет турбины низкого давления (ТНД)	30

		3.2.1.	Предварительный расчет ТНД.	30

		3.2.2.	Газодинамический расчет ТНД по среднему диаметру	32

		3.2.3.	Расчет ТНД с учетом закона закрутки	35

	3.3 Газодинамический расчет силовой турбины (СТ)	40

	3.3.1.     Предварительный расчет СТ.	40

		3.3.1.	Газодинамический расчет СТ по среднему диаметру	43

		3.3.2.	Расчет СТ с учетом закона закрутки	49

		    3.4.	Расчет потерь энергии, КПД и мощности турбины	65

4.1. Профилирование рабочей лопатки последней СТ………………………………...……..67 

5.Расчет на прочность рабочей лопатки СТ……...……...…………….……………………...73

6. Расчет грузоподъемных приспособлений при подъеме и перемещении двигателя

 для производства ремонтных работ……………………………………………………..……77

        6.1 Основные принципы расчета грузоподъемных средств……………………………77

        6.2 Материалы для изготовления грузоподъемных приспособлений………..………..78

        6.3 Расчет траверсы……………………………………………………………………….79

        6.4 Расчет талрепа…………………………………………………………………………83

        6.5 Расчет монтажных штуцеров…………………………………………………………84

7. Заключение………………………………………………………………………………...…87

8. Библиографический список…..………………………..……………………………………88

9. Приложения……………………………………………………………………………………





	

	

	





Основные условные обозначения, индексы и сокращения



Условные обозначения



N – мощность;

??–  КПД;

?к – степень повышения давления;

?? – степень реактивности;

T,t – температура (К, 0С);

Р – давление;

Н – теплоперепад в турбине;

h – теплоперепад в ступени; 

G – массовый расход рабочего тела;

n – частота вращения;

??? угловая частота вращения.

Ср – удельная теплоёмкость;

k – показатель адиабаты;

v – удельный обьём;

z – число лопаток;

D – диаметр;

Dе – веерность;

F – площадь венца;

l – высота лопатки;

C – скорость в абсолютном движении;

W – скорость в относительном движении;

U – окружная скорость;

??? ???коэффициент скорости в соплах, на рабочих лопатках;

M - чило Маха;

а – скорость звука;

? – коэффициент избытка воздуха, угол потока в абсолютном движении;

? – угол потока в относительном движении;

?  – угол раскрытия проточной части;

? – радиальный зазор;

S – осевой зазор;

в – хорда;

В – ширина лопатки;

?p – напряжения растяжения;

 – интенсивность охлаждения.

Индексы

*  - по заторможенным параметрам;

0 – на входе в турбину, на входе в ступень;

1 – на выходе из сопел, на входе в РЛ;

2 – на выходе из РЛ;

ад – адиабатический;

ст – ступени;

г - газа;

к - корневой;

л - лопатки;

н - наружный;

расп – располагаемый;

ср – средний;

тр – трения;

z – последней ступени;

r – газа;

в – воздуха;

а – осевая;

u – окружная;

с – в абсолютном движении;

w – в относительном движении;

Сокращения

ГТУ – газотурбинная установка;

КС – компрессорная станция, камера сгорания;

СЛ – сопловая лопатка;

РЛ – рабочая лопатка;

НА – направляющий аппарат;

ОК – осевой компрессор;

ТВД – турбина высокого давления;

ТНД – турбина низкого давления;

КВД – компрессор низкого давления;

КНД – компрессор высокого давления;

СТ – силовая турбина;













Перечень листов графических документов



Наименование

Обозначение

Формат

Продольный разрез ГТУ



13.03.03.311122.13.01

А1x2

Рабочая лопатка СТ

13.03.03.311122.13.02

А1

Тепловая схема ГТУ

13.03.03.311122.13.03

А1

Компоновка агрегата (план)

13.03.03.311122.13.04

А1

Компоновка агрегата (вид сбоку)

13.03.03.311122.13.05

А1

Расчетные схемы грузоподъемных приспособлений 

13.03.03.311122.13.06

А1































































Введение



В единой системе газоснабжения Российской Федерации превалируют компрессорные цеха с газотурбинным приводом. Всего в парке ОАО “Газпром” доля газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом составляет порядка 86 %. 

ГТУ более удобны в эксплуатации по сравнению с электроприводом, так как могут работать с переменной частотой вращения и в районах, не имеющих мощных источников электрической энергии, что характерно для районов Крайнего Севера.

ГТУ имеет высокие коэффициенты использования в холодное время года в связи с повышением мощности, когда растет потребление газа.

Для привода нагнетателя природного газа используют ГТУ с независимой силовой турбиной, так как данная турбина позволяет легко приспосабливаться к переменным режимам работы газопровода.

Современные газовые турбины должны соответствовать высокой индустриализации строительства компрессорных станций на газопроводах.

В результате последних исследований появились возможности повысить прочностные показатели материалов и, следовательно, повысить температуру рабочего тела. 

 Одной из наиболее важных задач, стоящих перед турбиностроением в настоящее время является дальнейшее развитие ГТУ с целью увеличения КПД установок при одновременном снижении их габаритов и стоимости. 

В выпускной квалификационной работе спроектирована газотурбинная установка мощностью 25 МВт на базе газотурбинного двигателя судового типа ДН-80, предназначенная для привода центробежного нагнетателя природного газа. 

В расчетной части проекта выполнен тепловой расчет цикла ГТУ, газодинамический расчет турбин, расчет закрутки лопаток по радиусу, расчет потерь. Произведено профилирование рабочей лопатки ступени силовой турбины, по результатам которого построены профили лопатки в корневом, среднем и периферийном сечениях.




Тепловой расчет цикла ГТУ



Таблица 1.1 – Исходные данные

Наименование показателя

Обозначение

Размерность

Значение

Температура перед ТВД

Тг

K

1493

Полезная мощность

Nе

МВт

25,0

Эффективный КПД, не менее

?e

%

36,6



1.1. Тепловая схема

       Проектируемая ГТУ - простого открытого цикла, трехвальная двухкомпрессорная приводная установка мощностью 25 МВт.

Использование такой схемы вызвано следующими требованиями:

- необходимость выделения силовой турбины и нагнетателя в единый блок, при этом силовая турбина имеет только лишь газодинамическую связь с компрессорными турбинами.

- большая степень повышения давления вызывает необходимость применения двухкаскадного газогенератора, что увеличивает диапазон устойчивой работы компрессора.









Рисунок 1.1 - Принципиальная схема трехвальной двухкомпрессорной ГТУ





















1.2. Предварительный тепловой расчет



Основной задачей предварительного расчёта является определение оптимального отношения давлений в цикле, обеспечивающего максимальную экономичность для базовой ГТУ.



Исходные данные для расчета:



эффективная мощность Ne = 25 МВт;

верхняя температура цикла TГ = 1493 К;

температура атмосферного воздуха TВ = 293 К;

давление атмосферного воздуха РВ =101300 Па;

коэффициент потерь по тракту ТР = 0,050;

КПД камеры сгорания КС = 0,994;

изоэнтропийный КПД компрессора К = 0,870;

изоэнтропийный КПД турбины высокого давления ТВД = 0,895;

изоэнтропийный КПД турбины низкого давления ТНД = 0,895;

изоэнтропийный КПД силовой турбины СТ = 0,895;

механический КПД М = 0,985;

показатель адиабаты компрессора kК = 1,4;

показатель адиабаты турбины kТ = 1,33;

условный коэффициент расхода через турбину высокого давления 

1 = 0,900;

условный коэффициент расхода через турбину низкого давления 

2 = 0,960;

условный коэффициент расхода через силовую турбину 3 = 1,000;

теплоемкость продуктов сгорания перед турбиной высокого давления 

СРТ1 = 1,257 кДж/(кг К);

теплоемкость продуктов сгорания перед турбиной низкого давления 

СРТ2 = 1,221 кДж/(кг К);

теплоемкость продуктов сгорания перед свободной силовой турбиной  

СРССТ = 1,174 кДж/(кг К);

теплоемкость продуктов сгорания в камере сгорания  CРКС = 1,110 кДж/(кг К);

теплоемкость при сжатии в компрессоре CРК = 1,01 кДж/(кг К);

теплоемкость воздуха СРВ = 1,09 кДж/(кг К);

коэффициент расхода утечек воздуха qУТ = 0,015;

коэффициент расхода охлаждающего воздуха qОХЛ = 0,10



Расчеты проводятся по методике, изложенной в [1], результаты расчета сведены  в таблицу 1.2.  

Таблица 1.2 – Предварительный расчет тепловой схемы ГТУ

№ 

п/п

Величина

Обозна

Чение

Расчетная формула

Размерность

Варианты











1

2

3

4

5

6

7

8

9

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1

Степень повышения давления в цикле



Задаем 

-

8

10

12

14

16

18

20

21.80

24

2

Степень повышения давления в КНД





-

2.97

3.32

3.64

3.93

4.20

4.45

4.70

4.90

5.14

3

Комплекс работы сжатия КНД





-

0.36

0.41

0.45

0.48

0.51

0.53

0.56

0.57

0.60

4

Удельная работа сжатия КНД





кДж/кг

124.08

139.12

151.77

162.72

172.41

181.10

189.01

195.56

202.97

5

Температура воздуха за КНД





К 

415.85

430.74

443.27

454.11

463.70

472.31

480.14

486.63

493.96

6

Степень повышения давления в КВД





-

2.69

3.01

3.30

3.56

3.81

4.04

4.26

4.45

4.67

7

Комплекс работы сжатия КВД





-

0.33

0.37

0.41

0.44

0.47

0.49

0.51

0.53

0.55

8

Удельная работа сжатия КВД





кДж/кг

158.00

185.15

209.14

230.77

250.55

268.83

285.89

300.34

317.01

9

Температура воздуха за КВД





К

572.29

614.06

650.34

682.59

711.76

738.48

763.19

783.99

807.83

10

Суммарная степень расширения втурбинах





-

7.60

9.50

11.40

13.30

15.20

17.10

19.00

20.71

22.80

11

Удельная работа расширения ТВД





кДж/кг

178.23

208.86

235.92

260.31

282.62

303.25

322.49

338.79

357.6

12

Температура продуктов сгорания за ТВД

ТТ1



К

1348.1

1323.20

1301.20

1281.36

1263.23

1246.45

1230.8

1217.5

1202.3


Таблица 1.2 – Окончание

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

13

Степень расширения продуктов сгорания в ТВД





-

1.63

1.79

1.94

2.09

2.24

2.39

2.54

2.68

2.85

14

Удельная работа расширения ТНД





кДж/кг

131.22

147.12

160.4

172.08

182.32

191.52

199.88

206.81

214.65


15

Степень расширения продуктов сгорания в ТНД





-

1.48

1.58

1.66

1.74

1.82

1.90

1.98

2.05

2.13

16

Температура продуктов сгорания за ТНД

ТТ2



К

1241.42

1203.58

1170.71

1141.46

1114.99

1090.7

1068.3

1049.4

1027.76

17

Степень расширения продуктов сгорания в  свободной силовой турбине





-

3.13

3.37

3.54

3.65

3.73

3.77

3.78

3.78

3.76

18

Удельная работа расширения силовой турбины





кДж/кг

320.78

328.32

330.24

328.83

325.33

320.47

314.69

308.94

301.42

19

Удельная эффективная работа





кДж/кг

315.97

323.40

325.28

323.89

320.45

315.66

309.97

304.30

296.90

20

Температура продуктов сгорания за силовой турбиной





К

984.53

940.66

906.25

878.13

854.46

834.11

816.30

802.02

786.37

21

Количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания





кДж/кг

521.67

559.75

592.81

622.22

648.81

673.16

695.69

714.65

736.38

22

Количество теплоты, подведенное к продуктам сгорания в КС





кДж/кг

965.32

927.24

894.18

864.77

838.18

812.83

791.30

772.35

750.61

23

Эффективный КПД





-

0.327

0.349

0.364

0.375

0.382

0.388

0.392

0.394

0.396



По результатам предварительного расчета тепловой схемы строим зависимости Не=f(К) и е= f(К), и на их основании выбираем оптимальную степень повышения давления в компрессоре (рис 1.2).





Рисунок 1.2 - Графики зависимости Не=f(К) и е= f(К).

Принимаем К =21,8



























1.3. Уточненный тепловой расчет ГТУ



Предварительный расчет тепловой схемы основывался на задании средних теплотехнических характеристик причем они задавались ориентировочно, а, следовательно, неточно. Задачей уточненного теплового расчета является уточнение таких характеристик как изобарная теплоемкость СР и показатель адиабаты k. Эти величины напрямую влияют на напор компрессора и теплоперепад газовой турбины. Соответственно при уточнении теплотехнических характеристик будут меняться и термодинамические параметры цикла, такие как давление Р и температура Т. Все эти величины оказывают влияние на газодинамический расчет газотурбинной установки. 

Уточнение теплофизических характеристик рабочих тел турбомашин, воздуха для компрессора и продуктов сгорания для турбин, производим по средней температуре в начале и конце процесса.



1.3.1. Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре низкого давления:



где срк=1,01 кДж/кгК, Тв=288 К, к=0,87, k=1,4.



1.3.2. Температура воздуха за компрессором:





1.3.3. Средняя температура процесса сжатия воздуха в компрессоре:





1.3.4. Уточняются теплофизические свойства воздуха по средней температуре процесса сжатия при  по диаграммам [1] (уточненным величинам присваивается индекс ‘):





1.3.5. Уточненное значение удельной работы сжатия компрессора:



1.3.6. Уточненное значение температуры воздуха за компрессором:



1.3.7. Уточненное значение средней температуры процесса сжатия в компрессоре:



Ввиду малости изменения значения средней температуры процесса сжатия воздуха в компрессоре дальнейшего уточнения теплофизических параметров воздуха не требуется.

1.3.8. Удельная работа сжатия воздуха в компрессоре высокого давления:



где срк=1,01 кДж/кгК, Тв2=К, к=0,87, k=1,4.



1.3.9. Температура воздуха за компрессором:





1.3.10. Средняя температура процесса сжатия воздуха в компрессоре:





1.3.11. Уточняются теплофизические свойства воздуха по средней температуре процесса сжатия при  по диаграммам [1] (уточненным величинам присваивается индекс ‘):



1.3.12. Уточненное значение удельной работы сжатия компрессора:



1.3.13. Уточненное значение температуры воздуха за компрессором:



1.3.14. Уточненное значение средней температуры процесса сжатия в компрессоре:



Ввиду малости изменения значения средней температуры процесса сжатия воздуха в компрессоре дальнейшего уточнения теплофизических параметров воздуха не требуется.

1.3.15. Определяется коэффициент избытка воздуха продуктов сгорания:





1.3.16. Степень расширения продуктов сгорания в турбинах ГТУ:





1.3.17. Удельная работа расширения турбины компрессора высокого давления:









1.3.18. Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора высокого давления:





1.3.19. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в турбине компрессора высокого давления:





1.3.20. Уточняются теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха 3.4



21. Уточняется температура продуктов сгорания за турбиной компрессора и средняя температура процесса расширения в турбине компрессора высокого давления:



1.3.22. Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора высокого давления:





1.3.23. Удельная работа расширения турбины компрессора низкого давления:





1.3.24. Температура продуктов сгорания за турбиной компрессора низкого давления:





1.3.25. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в турбине компрессора:





1.3.26. Уточняются теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха 3,4:



1.3.27. Уточняется температура продуктов сгорания за турбиной компрессора и средняя температура процесса расширения в турбине компрессора:



1.3.28. Степень расширения продуктов сгорания в турбине компрессора:





1.3.29. Степень расширения продуктов сгорания в силовой турбине:







   1.3.30. Удельная работа расширения силовой турбины:





1.3.31. Температура продуктов сгорания за силовой турбиной:





1.3.32. Средняя температура процесса расширения продуктов сгорания в силовой турбине:





1.3.33. Уточняются теплофизические свойства продуктов сгорания при средней температуре процесса расширения и коэффициенте избытка воздуха 3,4:



Поскольку изменений в теплофизических свойствах продуктов сгорания нет, то уточнять теплофизические параметры нет смысла.

1.3.34. Удельная полезная работа ГТУ:





1.3.35. Уточняются теплофизические свойства воздуха при температуре Тк’ и :

срm’=1,03кДж/(кг.К).

1.3.36. Количество теплоты воздуха, поступающего в камеру сгорания:

Qв = срвТк’(1-qохл-qут), кДж/кг,

Qв = 1,03.777,2.(1-0,1-0,015)=708,5 ,кДж/кг.



1.3.37. Теплофизические свойства продуктов сгорания при процессе подвода теплоты в камере сгорания при температуре Тг и 3,4:

срm’=1,09 кДж/(кг.К).

1.3.38. Количество теплоты, подведенное в камере сгорания:





1.3.39. Эффективный КПД газотурбинной установки:





1.3.40. Расход воздуха в цикле, обеспечивающий номинальную мощность:





1.3.41. Расходы рабочего тела для турбин ГТУ:













	По полученным расходам рабочего тела на турбины и компрессора и адиабатным теплоперепадам осуществляют проектирование или моделирование компрессора и расчет проточной части турбин.



























Моделирование осевого компрессора



При полном моделировании проточная часть проектируемого компрессора представляет собой измененную в определенном масштабе проточную часть модельного компрессора (прототипа), обладающего, как правило, высокой экономичностью и надежностью. Характеристики натурного компрессора будут тождественны характеристикам модельного.

Условия подобия, проектируемого (натурного) и модельного компрессора записывают в следующем виде:





?к.нат. = ?к.мод; ?к.нат. = ?к.мод,



где  - начальные параметры воздуха;  = Dнат./Dмод.- масштаб моделирования.



В качестве прототипа принимаем осевой компрессор ГТУ ДН-80. Определяем масштаб моделирования:













Таким образом все размеры и параметры натурного компрессора необходимо изменить в 0,964 раз по сравнению с модельным. Используем прототип осевого компрессор ГТУ ДН-80. В данном случае коэффициент моделирования достаточно мал, чтобы принять его за 1,0.



Вычислим частоту вращения натурного компрессора:

	

,



КНД: 



КВД: 

	


Газодинамический расчет турбин по среднему диаметру и с учетом закрутки



В практике современного газодинамического проектирования турбин современных газотурбинных установок выделяют три этапа:

Первый этап - предварительный расчет турбины. Исходными данными являются результаты теплового расчета ГТУ.

В процессе предварительного расчёта определяется располагаемый теплоперепад, основные геометрические и термодинамические параметры.

Второй этап – он заключается в детальном расчете турбины по среднему диаметру. Исходными данными являются результаты предварительного расчета турбины. Задачи второго этапа расчета:

расчет кинематики потока (скоростей, углов)

определение площадей проходных сечений венцов

выбор зазоров и осевых ширин

Проводятся оценочные расчеты на прочность. На основе газодинамического расчета по среднему диаметру намечается контур проточной части.

Третий этап – расчет параметров пространственного потока в каждой из ступеней из выбранного закона закрутки. Исходными данными для расчета являются кинематические параметры потока в характерных сечениях на среднем диаметре.

Газодинамический расчет выполнен последовательно для ТВД, ТНД и для СТ газотурбинного двигателя.



3.1. Газодинамический расчет турбины высокого давления (ТВД).



3.1.1. Предварительный расчет ТВД.



Исходные данные для предварительного расчета представлены в таблице 3.1, вспомогательные величины в таблице 3.2.



Таблица 3.1. Исходные данные

	

Наименование величины

Обозначение

Размерность

Значение

Полное давление газа перед турбиной

P0*

Па

2143060

Полная температура газа перед турбиной

T0*

K

1493

Таблица 3.1 - окончание

 

Частота вращения ротора

N

об/мин

9907

Степень расширения в турбине

?т

-

2,473

Расход рабочего тела через турбину



кг/с

71,5



Cтепень расширения,расход рабочего тела через турбину принимаем в соответствии с пунктами теплового расчета: п.1.3.22.,п.1.3.41. Полное давление  перед турбиной, рассчитываем исходя из учета потерь по тракту входного патрубка, а также из-за гидравлических потерь по тракту. 

Полное давление газа перед турбиной: 



Потери во входном тракте ?тр = 0,0145. Потери по тракту =0,03.











Таблица 3.2 – Вспомогательные величины

Наименование величины

Обозначение

Размерность

Значение

Показатель адиабаты

K

-

1,3

Показатель адиабатического процесса

M

-

0,228

Газовая постоянная рабочего тела турбины

R

кДж/(кгК)

0,288

Средняя теплоемкость рабочего тела в т.

Срт

кДж/(кгК)

1,26

Коэффициент скорости в соплах

?

-

0,974

Коэффициент скорости на рабочих лопатках

?

-

0,954

Коэффициент возврата теплоты

?

-

-

КПД турбины

?

-

0,895

Полная температура газа за турбиной:





Полное давление газа за турбиной:

Pz*= P0*??т=2143060/2,473=866586 Па.



Адиабатический теплоперепад на турбину: 





Основные геометрические и термодинамические параметры турбины принимаем в соответствии с [2]. 

- Угол выхода потока из соплового аппарата: ?????°

- Термодинамическая степень реактивности на среднем диаметре: ?т???????

- Осевая проекция абсолютной скорости на выходе ступени: С2а = 130 м/с. 

Оптимальная характеристика:





Принятая характеристика: =0,541

Окружная скорость:





Средней диаметр ступени:





Ометаемая площадь на выходе из РЛ:





Коэффициент расхода на выходе из ступени:





Коэффициент нагрузки: 

??

 = 1,711

Угловая скорость: 

???n/30=3,14*9907/30 = 1037,5 рад/сек.






3.1.2. Газодинамический расчет ТВД по среднему диаметру



Для выполнения газодинамического расчета по среднему диаметру используем результаты предварительного расчета. Результаты вычислений сведены в таблицу 3.3.



Таблица  3.3 – Газодинамический расчет ТВД по среднему диаметру

№

п/п

Наименование величины

Обозначение

Формула

Размерность

Значение

1

2

3

4

5

6

2

Адиабатический теплоперепад ступени

hстад

из п.3.1.1.4

кДж/кг

349.77

3

Полная температура за ступенью

Т2*



К

1244,0

4

Полное давление за ступенью

Р2*



Па

875603

5

Осевая составляющая скорости за РЛ

С2а

из п.3.1.1.6.

м/с

150

6

Статическая температура за РЛ

Т2



К

1235.0

7

Статическое давление за РЛ

Р2



Па

845135

8

Удельный объем РЛ

2



м3/кг

0.421

9

Ометаемая площадь на выходе изРЛ

F2а



м2

0.201

10

Высота РЛ

lр

F2а/?Dср

М

0.0734

11

Веерность ступени





-

11.9

12

Окружная скорость на среднем диаметре РЛ

u2

??n?Dср/60

м/с

452.1

13

Степень реактивности

cp

из п.3.1.1.6.

-

0.25

14

Адиабатический теплоперепад в СА

hсад



кДж/кг

262,33

15

Скорость газа на выходе из сопел

С1



м/с

705,5

16

Угол выхода потока из сопел

?1

из п.3.1.1.6.

град

16

17

Осевая составляющая скорости за СА

C1а



м/с

146,7

18

Статическая температура за СА

Т1



К

1295.0

19

Статическое давление за СА

Р1



Па

1109529,26

20

Удельный объём рабочего тела за СА

1



м3/кг

0.336


Таблица 3.3 - Окончание

1

2

3

4

5

6

21

Ометаемая площадь на выходе из СА

F1a



м2

0.164

22

Высота сопловой лопатки

lc

 

М

0.0608

23

Окружная скорость на среднем диаметре СА

u1



м/с

445.6

24

Коэффициент расхода для СА





-

0.329


 25

Окружная проекция абсолютной скорости

С1u



м/с

690.1

26

Окружная проекция относительной скорости

W1u



м/с

244.5

27

Угол входа потока на РЛ

?1



град

31.0

28

Скорость выхода потока на РЛ

W1



м/с

285,1

29

Скорость выхода потока из РЛ

W2



м/с

482,9

30

Угол выхода потока из РЛ

?2



град

18,1

31

Окружная проекция относительной скорости

W2u



м/с

459.0

32

Окружная проекция абсолютной скорости

C2u



м/с

6.9

33

Угол выхода потока за РЛ

?2



град

87.4

34

Скорость выхода потока

C2



м/с

150.2

35

Скорость звука в потока потоке за РЛ

a2



м/с

678.7

36

Число Маха за РЛ

Mc2



-

0.221

37

Скорость звука на выходе из СА

a1



м/с

695.0

38

Число Маха на выходе из СА

Mc1



-

1.015

39

Температура затормож.потока наРЛ

T1w*



К

1327.4

40

Допуск.напряжения для материала РЛ

?дt

Принимается

МПа

305

41

Напряжения растяжения в корне РЛ

?р



МПа

138

42

Коэффициент запаса

n



-

2.22

43

Ширина РЛ на среднем диаметре

Bpcp

Конструктивно

мм

27

44

Передний осевой зазор

S1

Конструктивно

мм

8.8

45

Ширина сопел на среднем диаметре

Bccp

Конструктивно

мм

44.7

46

Задний осевой зазор

S2

Конструктивно

мм

11.0

Материал рабочих лопаток ТВД - ЖС6К. Допускаемые напряжения для этого материала принимаем на основании [4], ?м=8000 кг/м3.

Рассчитываем погрешность вычисления ометаемой площади за рабочей лопаткой:
























































































3.1.3. Расчет ТВД с учетом закона закрутки

Производим расчет ТВД с учетом закона закрутки . Расчет сведен в таблицу 3.4.



Таблица 3.4 – Расчет ТВД с учетом закона закрутки

№

п/п

Наименование величины

Обозначение

Формула

Размерность

Сечения











корн.

средн.

периф

1

2

3

4

5

6

7

8

2

Радиус сечения

R

-

м

0.7982

0.8716

0.9449

3

Относительный радиус





-

0.916

1.000

1.084

4

Угол выхода потока из сопел

?1



град.

11.0

12.0

13.0

5

Осевая составляющая скорости за СА

C1a



м/с

146.7

146.7

146.7

6

Окружная проекция абс.скорости

C1u



м/с

751.8

690.1

637.8

7

Скорость газа на выходе из сопел

C1



м/с

766.0

705.5

654.5

8

Осевая составляющая скорости за РЛ

C2a



м/с

130

130

130

9

Окружная скорость в соплах

U1



м/с

408.1

445.6

483.1

10

Окружная скорость в РЛ

U2



м/с

414.1

452.1

490.2

11

Адиабат. теплоперепад в соплах

hcад



кДж/кг

309.22

262.33

225.77

12

Термодин.степень реактивности

т



-

0.116

0.250

0.355

13

Угол входа потока на РЛ

?1



град

23.1

31.0

43.5

14

Скорость входа потока на РЛ

W1



м/с

373.7

285.1

213.2

15

Скорость выхода потока из РЛ

W2



м/с

448.2

482.9

516.8


Таблица 3.4 - Окончание

1

2

3

4

5

6

7

8

16

Угол выхода потока из РЛ

?2



град

16.9

15.6

14.6

17

Окружная проекция отн.скорости

W2u



м/с

429.0

465.0

500.2

18

Окружная проекция абс.скорости

C2u



м/с

16.9

15.6

14.6

19

Угол выхода потока за РЛ

?2



град

83.5

84.3

85.6

20

Кинемат.степень реактивности

кин



-

0.097

0.240

0.350

21

Удельная работа на ободе

hн



кДж/кг

312.88

313.25

312.98

22

Абс.скорость выхода потока

C2



м/с

130.9

130.6

130.4

23

Статическая температура за СА

T1



К

1259.6

1295.0

1322.6

24

Статическое давление за СА

P1



кПа

976020

1109529

1223224

25

Температура затормож.потока на РЛ

T1w*



К

1315.2

1327.4

1340.7

26

Скорость звука на выходе из СА

a1



м/с

685.4

695.0

702.3

27

Число Маха на выходе из СА

Mc1

с1/а1

-

1.118

1.015

0.932

28

Число Маха на входе в РК

M w 1

w1/a1

-

0.545

0.410

0.304



Графики изменения углов, степени реактивности и скоростей по высоте ступеней показаны на рис. 3.1–3.3. Треугольники скоростей ступени ТВД показаны на рис. 3.4. По результатам газодинамического расчета по среднему диаметру ТВД и ТНД необходимо наметить контур проточной части газогенератора. Эскиз проточной части ТВД представлен на рис. 3.5.

















Рисунок 3.1 - Изменение скоростей потока по радиусу ступени ТВД





Рисунок 3.2 - Изменение углов входа и выхода по радиусу ступени ТВД







Рисунок 3.3 - Изменение степени реактивности по радиусу ступени ТВД.












Газодинамический расчет турбины низкого давления (ТНД)



Предварительный расчет ТНД.



Исходные данные для предварительного расчета представлены в таблице 3.5, вспомогательные величины в таблице 3.6.



Таблица 3.5 – Исходные данные

Наименование величины

Обозначение

Размерность

Значение

Полное давление газа перед турбиной

P0*

Па

875603

Полная температура газа перед турбиной

T0*

K

1243,9

Частота вращения ротора

n

об/мин

7780

Степень расширения в турбине

?т



-

2,111

Расход рабочего тела через турбину



кг/с

76,36



 Степень расширения,расход рабочего тела через турбину принимаем в соответствии с пунктами теплового расчета: п.1.3.28., п.1.3.41. Полное давление перед турбиной по п. 4, таблицы 3.3.



Таблица 3.6 – Вспомомгательные величины

Наименование величины

Обозначение

Размерность

Значение

Показатель адиабаты

k

-

1,306

Показатель адиабатического процесса

m

-

0,234

Газовая постоянная рабочего тела турбины

R

кДж/(кгК)

0,288

Средняя теплоемкость рабочего тела в т.

Срт

кДж/(кгК)

1,221

Коэффициент скорости в соплах

?

-

0,974

Коэффициент скорости на рабочих лопатках

?

-

0,954

Коэффициент возврата теплоты

?

-

-

КПД турбины

?

-

0,895





 Полная температура газа за турбиной:





Полное давление газа за турбиной:



Pz*= P0*??т=875603/2,111=414702 Па.



Адиабатический теплоперепад на турбину: 





Основные геометрические и термодинамические параметры турбины принимаем в соответствии с [2]. 

Угол выхода потока из соплового аппарата: ?????°

Термодинамическая степень реактивности на среднем диаметре: ?т???????

Осевая проекция абсолютной скорости на выходе ступени:С2а=150м/с. 

Оптимальная характеристика:







Принятая характеристика: =0,545

Окружная скорость на среднем диаметре:







Средней диаметр ступени:













Ометаемая площадь на выходе из рабочей лопатки:







Коэффициент расхода на выходе из ступени:





Коэффициент нагрузки: 

??





Угловая скорость: ???n/30=3,14?7780/30=814,7 рад/сек.



























Газодинамический расчет ТНД по среднему диаметру



Для выполнения газодинамического расчета по среднему диаметру воспользуемся результатами предварительного расчета. Результаты расчета сведены в таблицу 3.7.



Таблица  3.7 – Газодинамический расчет ТНД по среднему диаметру

№

п/п

Наименование величины

Обозначение

Формула

Размерность

Значение

1

2

3

4

5

6

2

Адиабатический теплоперепад ступени

hстад

из п.3.2.1.4

кДж/кг

243.98

3

Полная температура за ступенью

Т2*



К

1065.1

4

Полное давление за ступенью

Р2*



Па

417697

5

Осевая составляющая скорости за РЛ

С2а

из п.3.2.1.6.

м/с

160

6

Статическая температура за РЛ

Т2



К

1054.6

7

Статическое давление за РЛ

Р2



Па

398453

8

Удельный объем РЛ

2



м3/кг

0.762

9

Ометаемая площадь на выходе из РЛ

F2а



м2

0.364

10

Высота РЛ

lр

F2а/pDср

м

0.132

11

Веерность ступени





-

6.7

12

Окружная скорость на среднем диаметре РЛ

u2

??n?Dср/60

м/с

358,0

13

Степень реактивности

cp

из п.3.2.1.6.

-

0.28

14

Адиабатический теплоперепад в СА

hсад



кДж/кг

175,67

15

Скорость газа на выходе из сопел

С1



м/с

577,3

16

Угол выхода потока из сопел

?1

из п.3.2.1.6.

град

18

17

Осевая соста-щая скорости за СА

C1а



м/с

178.4

18

Статическая температура за СА

Т1



К

1107.5

19

Статическое давление за СА

Р1



Па

519080

20

Удельный объём рабочего тела за СА

1



м3/кг

0.614

21

Ометаемая площадь на выходе из СА

F1a



м2

0.263

22

Высота сопловой лопатки

lc



м

0.099


Таблица 3.7 – Окончание

1

2

3

4

5

6

23

Окружная скорость на среднем диаметре СА

u1



м/с

344.6

24

Коэффициент расхода для СА





-

0.518


 25

Окружная проекция абсолютной скорости

С1u



м/с

549.1

26

Окружная проекция относительной скорости

W1u



м/с

204.4

27

.......................