- •Оглавление
- •Раздел 1 (мод.1). Основы термодинамической работы турбовальных двигателей (тВаД) и процессы, происходящие в отдельных узлах………4
- •Раздел 2 (мод. 2). Совместная работа узлов и характеристики тВаД..26
- •Раздел 3 (мод. 3). Расчет тВаД…………………………………………….38
- •Раздел 1 (мод.1). Основы термодинамической работы турбовальных двигателей (тВаД) и процессы, происходящие в отдельных узлах
- •1. Наземное применение газотурбинных двигателей;
- •2. Принцип действия турбовальных двигателей (тВаД).
- •1. Наземное применение газотурбинных двигателей (гтд)
- •2. Принцип действия турбовальных двигателей (тВаД)
- •Контрольные вопрсы:
- •1. Идеальные термодинамические циклы (тВаД);
- •2. Термический кпд идеального цикла.
- •1. Идеальные термодинамические циклы (тВаД)
- •2. Термический кпд идеального цикла тВаД
- •Контрольные вопросы:
- •2. Работа действительного цикла
- •Внутренняя (индикаторная) работа
- •Эффективная работа цикла тВаД
- •3. Эффективный кпд тВаД
- •Зависимость
- •Контрольные вопросы:
- •1. Преимущества и недостатки тВаД различных схем;
- •2. Особенности конструкции тВаД со свободной турбиной;
- •3. Основные параметры тВаД.
- •1. Преимущества и недостатки тВаД различных схем
- •Преимущества и недостатки одновальных тВаД.
- •2. Особенности конструкции тВаД со свободной турбиной
- •3. Основные параметры тВаД
- •Контрольные вопросы:
- •Раздел 2 (мод. 2). Совместная работа узлов и характеристики тВаД
- •1. Зависимость удельных параметров тВаД от параметров рабочего процесса: ; ;
- •2. Влияние отбора мощности на запас устойчивой работы и основные параметры тВаД.
- •1. Зависимость удельных параметров тВаД от параметров рабочего процесса ;
- •2. Влияние отбора мощности на запас устойчивой работы и основные параметры тВаД
- •Отбор мощности в одновальном тВаД
- •Отбор мощности в тВаД со свободной турбиной
- •Контрольные вопросы:
- •2. Дроссельные характеристики тВаД со свободной турбиной;
- •1. Дроссельные характеристики одновального тВаД
- •2. Дроссельные характеристики тВаД со свободной турбиной
- •3. Климатические характеристики тВаД
- •Методы построения эксплуатационных характеристик
- •Контрольные вопросы:
- •Раздел 3 (мод. 3). Расчет тВаД
- •2. Предварительный расчет тВаД.
- •1. Основные этапы расчета тВаД
- •2. Предварительный расчет тВаД
- •Контрольные вопросы:
- •2. Определение основных данных тВаД.
- •1. Определение параметров рабочего тела в характерных сечениях тВаД
- •2. Определение основных параметров тВаД
- •Контрольные вопросы:
- •2. Определение частоты вращения роторов тВаД.
- •1. Оценка геометрических параметров характерных сечений тВаД
- •2. Определение частоты вращения роторов
- •Контрольные вопросы:
- •Библиографический список
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.
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
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»
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.