Расчет турбины
Поскольку ГТУ проектируется для привода электрогенератора, частота вращения ротора установки принимается равной 50 с -1. Конечное давление по параметрам торможения принимают равным 105 Па.
Теплоперепад турбины по параметрам торможения
=1,156 1120 (1- )=412,66 кДж/кг |
(3.1) |
Значения скоростей во входном и выходном патрубках, перед первой и за последней ступенью, а также КПД входного и выходного патрубка принимают исходя из рекомендуемых значений, приведенных в таблице 3.1.
Давление торможения перед турбиной
=4,7 10 Па |
(3.2) |
Плотность газа перед турбиной по параметрам торможения определяется по следующей формуле:
=4,7 10 /(287 1120)=1,46 кг/м |
(3.3) |
Таблица 3.1.
Параметры при расчёте турбины
Параметр |
Значение |
Скорость во входном патрубке, ωс |
37 м/с |
Скорость перед первой ступенью, с0 |
80 м/с |
Скорость в выходном патрубке, ωd |
45 м/с |
Скорость за последней ступенью, сz |
115 м/с |
КПД входного патрубка, ηвх |
0,92 |
КПД выходного патрубка, ηвых |
0,55 |
Окружной скорость на диаметре корневых сечений, uк |
189 м/с |
Отношение скоростей, |
0,46 |
Угол выхода лопатки в корневом сечении α1к |
15° |
Степень реактивности θк |
0,11 |
Потерz давления торможения во входном патрубке вычисляют, приняв :
= 1,46 =319 Па |
(3.4) |
Давление торможения перед первой ступенью
=4,7 10 -319=4,69681 10 Па |
(3.5) |
Определяется температура газа за турбиной
=1120- =805,86 К |
(3.6) |
=1120- =763,05 К |
(3.7) |
Вычисляется температура газов за последней ступенью
=805,86- =800,13 К |
(3.8) |
Поскольку давление за последней ступенью мало отличается от давления за турбиной, при определении плотности можно принять
= =0,44 кг/м |
(3.9) |
Определяется величина потерь полного давления в выходном патрубке:
= 0,45 0,44 =1108,8 Па |
(3.10) |
Давление торможения за последней ступенью турбины
= 1,02108 10 Па |
(3.11) |
Для определения числа ступеней турбины, вычисляется располагаемый теплоперепад по параметрам перед первой и за последней ступенями:
= 1,156 1120 (1- 4,6 )+ 10 =411,36 кДж/кг
|
(3.12) |
где = =4,6 - отношение давлений в ступенях турбины. |
(3.13) |
Диаметр корневых сечений dk определяется из условия обеспечения рекомендуемой окружной скорости uк (см. таблицу 3.1)
= =1,2 м |
(3.14) |
Рассчитывается располагаемый теплоперепад одной ступени:
= =84407 кДж/кг |
(3.15) |
- рекомендуемое отношение скоростей (см. таблицу 3.1).
Определяется число ступеней турбины
= |
(3.16) |
Вычисляется коэффициент возврата тепла αm
=0,0182 |
(3.17) |
Уточняется теплоперепад одной ступени
= =83,77 кДж/кг |
(3.18) |
Из уравнения неразрывности определяется ориентировочное значение периферийного диаметра первой ступени турбины
= =1,74м |
(3.19) |
(принято cosγ0=0,98).
Высота направляющих лопаток на входе в первую ступень турбины
= =0,27 |
(3.20) |
Для определения высоты лопаток последней ступени назначают приемлемое отношение , тогда
1,2 2=2,4м |
(3.21) |
= |
(3.22) |
Находится площадь проходного сечения последней ступени
= 3,39м |
(3.23) |
Меридиональная скорость за последней ступенью сzs определяется из уравнения неразрывности:
= =97,76м/с |
(3.24) |
Найденное значение сzs вполне приемлемо и может быть принято. Однако в первых ступенях целесообразно принять меньшее значение меридиональной скорости.
Угол выхода лопатки в корневом сечении α1к и степень реактивности θк принимают исходя из рекомендуемых значений (см. табл. 3.1). Коэффициент скорости φ и ζ=1–φ2 =0,05 принимают по опытным данным, представленным в атласах профилей турбин.
Рассчитывается теоретическая скорость за соплами первой ступени, соответствующая изоэнтропийному течению в сопловой решётке
=0,97 =384,49м/с |
(3.25) |
Меридиональная скорость определяется по формуле
=384,49 sin15=99,5м/с |
(3.26) |
Если меридиональная скорость в первой ступени заметно меньше, чем в последней, нецелесообразно выполнять все ступени однотипными. Можно, например, объединить первые несколько ступеней в одну группу, а остальные ступени выполнять индивидуальными.
Существует несколько законов распределения окружных проекций скоростей в ступени турбины. В рамках данного курсового проекта предлагается выполнить расчёт ступени турбины, воспользовавшись законом постоянной меридиональной скорости, описываемый уравнением 3.27. Кроме того, потребуем постоянства работы по высоте лопаток.
|
(3.27) |
Расчет треугольников скоростей производится для трех сечений – корневого, среднего и периферийного.
Определяется средний диаметр в сечении перед соплами
= =1,47м |
(3.28) |
Вычисляется окружная проекция скорости в корневом сечении
=384,49 cos15=371,39 м/с |
(3.29) |
После преобразования формулы 3.27, определяется окружная проекцию скорости на среднем диаметре
=371,39 =306,26 м/с |
(3.30) |
Меридиональная проекция относительной скорости равна меридиональной проекции абсолютной скорости .
Далее вычисляется окружная скорость, проекция относительной скорости на окружное направление и относительная скорость на среднем диаметре
=3,14 1,47 50=230,8 м/с |
(3.31) |
=306,26-230,8=75,46 м/с |
(3.32) |
= =124,91 м/с |
(3.33) |
Меридиональная скорость на среднем диаметре с1sc в соответствии с принятым законом распределения скоростей постоянна, т.е. равна с1sк.
Определяется действительное и теоретическое значения абсолютной скорости на среднем диаметре
= =322,02 м/с |
(3.34) |
= 330,27 м/с |
(3.35) |
Располагаемый теплоперепад в рабочей решетке находится по формуле
=83770- =32,40 кДж/кг |
(3.36) |
Вычисляется степень реактивности
=0,386 |
(3.37) |
Относительная скорость за рабочими лопатками находится по формуле
=0,97 =275,05 м/с |
(3.38) |
Средняя меридиональная проекция скорости с2s принимается равной c1s.
Вычисляются
=arcsin =21,2º |
(3.39) |
=275,05 cos21,2º =256,42 м/с |
(3.40) |
=230,8-256,42=-25,62 м/с |
(3.41) |
=arctg =75.56º |
(3.42) |
Желательно, чтобы значение угла α2 находилось в пределах 70 – 80 °, что может быть достигнуто, например, путем небольшого изменения диаметров (т.е. пара-метра ).
Определяется температура, давление и плотность газа перед рабочими лопатками первой ступени:
=1120- =1075,15 K |
(3.43) |
=1120- =1072,78 К |
(3.44) |
=4,69681 =394795 Па |
(3.45) |
= =1,279 кг/м |
(3.46) |
Диаметр периферийного сечения находится из уравнения неразрывности
= =1,702 м |
(3.47) |
Принято = 0,98.
Определяются параметры газа за ступенью
=1075,15- =1049,18 К |
(3.48) |
=1075,15- =1047,12 К |
(3.49) |
=394795 =354905 Па |
(3.50) |
= =1,178 кг/м |
(3.51) |
Вычисляется диаметр периферийного сечения на выходе из рабочих лопаток ступени
= =1,738 1,74 м |
(3.52) |
Принято = 0,96
Дальнейший расчет газовой турбины предлагается свести в таблицу 3.2.
Таблица 3.2.
Параметры |
Диаметр сечения d, м. |
||
1,2 м |
1,47 м |
1,74 м |
|
Окружная скорость, м/с
|
188,4 |
230,79 |
273,18 |
Окружные проекции скорости, м/с: |
|||
|
371,38 |
306,26 |
260,92 |
|
-35,17 |
-25,62 |
-19,46 |
Меридиональные проекции скорости, м/с: |
|||
с1s (принята постоянной) |
99,5 |
99,5 |
99,5 |
, значение интеграла определяется численным интегрированием. |
98,95 |
99,5 |
100,56 |
Угол |
15º |
18º |
20,9º |
Скорость за направляющими лопатками, м/с:
|
384,44 |
322,99 |
278,92 |
Теоретическая скорость за направляющими лопатками, м/с: . |
394,3 |
331,27 |
286,07 |
Располагаемый теплоперепад направляющих лопаток, кДж/кг: |
74,536 |
51,67 |
37,718 |
Окружная проекция относительной скорости, м/с:
|
182,98 |
75,47 |
-12,26 |
Угол |
28,53º |
52,82º |
97,03º |
Относительная скорость, м/с: |
208,32 |
124,88 |
100,25 |
Окружная проекция относительной скорости, м/с:
|
223,57 |
256,41 |
292,64 |
Угол |
23,87º |
21,2º |
18,96º |
Относительная скорость, м/с: |
244,52 |
275,15 |
309,5 |
Теоретическая относительная скорость, м/с: |
252,08 |
283,66 |
319,07 |
Располагаемый теплоперепад на рабочих лопатках, кДж/кг: |
10,073 |
32,434 |
45,878 |
Использованный теплоперепад на рабочих лопатках, кДж/кг: |
8,196 |
30,056 |
42,87 |
Общий располагаемый теплоперепад, кДж/кг:
|
84,609 |
84,104 |
83,596 |
Степень реактивности: |
0,119 |
0,385 |
0,549 |
Угол |
70,43º |
75,56º |
79,05º |
Скорость на выходе из ступени, м/с: |
105,7 |
102,74 |
102,42 |
Располагаемый теплоперепад по параметрам торможения, кДж/кг: |
82,222 |
82,026 |
81,551 |
Температура газов, К: |
|||
|
1056,07 |
1074,88 |
1086,35 |
|
1052,75 |
1072,53 |
1084,6 |
|
1048,98 |
1048,88 |
1049,26 |
|
1047,36 |
1046,82 |
1046,66 |
Давление, Па·105: |
|||
|
3,65903 |
3,94424 |
4,12629 |
|
3,53886
|
3,54521 |
3,55126 |
Плотность газа, кг/м3: |
|||
|
1,207 |
1,278 |
1,323 |
|
1,175 |
1,178 |
1,179 |
Определяется КПД ступени на расчётных диаметрах:
= =0,9315 |
(3.56) |
= =0,9337 |
(3.57) |
= =0,9392 |
(3.58) |
За КПД ступени допустимо принять среднеарифметическое значение КПД
= =0,9348 |
(3.59) |
Определяется величина зазора между корпусом турбины и рабочими лопатками ступени
=0,01 1,2=0,012 м |
(3.59) |
где - относительная величина зазора.
Влияние утечек оценивают по формуле
, |
(3.59) |
где - опытный коэффициент; l – длина лопатки
Дополнительные потери в ступени возникают также вследствие утечки газа через уплотнения диафрагмы. Их учет может быть произведен после определения размеров диафрагменного уплотнения и расчета утечки через диафрагменное уплотнение.