Газотурбинные установки могут служить приводами для нагнетателей природного газа, а также генераторов электрического тока. Содержание . 3 Перечень листов графических документов. 4 Основные условные обозначения, индексы и сокращения. 5 Введение. 6 1. Газодинамический расчет турбины.. 7 1.1. Предварительный расчет. 7 1.2. Определение числа ступеней. 8 1.3. Выбор осевой скорости, углов и реактивности ступеней. 9 1.4. Выбор схемы проточной части. 9 1.5. Газодинамический расчет ступени по среднему диаметру. 10 1.6. Выбор и расчет закона закрутки лопаток. 18 1.7. Профилирование рабочей лопатки последней ступени. 32 1.8. Расчет потерь энергии, КПД и мощности турбины.. 38 2. Расчет на прочность элементов турбины.. 41 2.1. Выбор материалов основных деталей (корпуса, ротора, рабочих лопаток) 41 2.2. Определение толщины стенки корпуса в части высокого давления. 41 2.3. Расчет на прочность рабочей лопатки четвертой ступени. 42 2.4. Расчет на прочность диска четвертой ступени. 46 2.5. Определение основных размеров подшипников турбины.. 50 2.6. Оценка размеров выходного диффузора, входного и выходного патрубков. 51 3. Описание конструкции турбины.. 54 Заключение. 55 Библиографический список. 56 Приложение А.. 57 Приложение Б. 58 Приложение В.. 59 Приложение Г. 60 Газотурбинные установки могут служить приводами для нагнетателей природного газа, а также генераторов электрического тока. Малые удельные металлоёмкость и трудоёмкость, хорошая маневренность, высокая степень автоматизации управления и эксплуатационная надежность, обусловили распространение ГТУ на воздушном и морском транспорте. Применительно к газовой промышленности важны следующие достоинства ГТУ: низкая стоимость установленного киловатта при компактности агрегата; высокая быстроходность и любая необходимая для компрессорной станции единичная мощность; простота регулирования нагрузки за счёт переменной частоты вращения; способность заметно увеличивать располагаемую мощность в холодное время года, когда потребление газа возрастает; достаточно простая автоматизация обслуживания; продолжающийся заметный прогресс ГТУ в повышении экономичности, надежности конструкции. Полезная мощность ГТУ составляет сравнительно небольшую долю от мощности турбины. Долю полезной мощности можно увеличить подняв температуру газа перед турбиной или снизив температуру воздуха, засасываемого компрессором. В первом случае возрастает работа расширения (используемый теплоперепад) газа в турбине, во втором – уменьшается работа, затрачиваемая на сжатие воздуха в компрессоре. Оба способа приводят к увеличению доли полезной мощности. Полезная мощность ГТУ зависит также от аэродинамических показателей проточных частей турбины и компрессора: чем меньше аэродинамические потери в турбине и компрессоре, тем большая доля мощности газовой турбины становится полезной. Эффективность ГТУ в сравнении с другими тепловыми двигателями обнаруживается только при высокой температуре газа и высокой экономичности турбины и компрессора. Поэтому простой по принципу действия газотурбинный двигатель стали применять в промышленности позднее других тепловых двигателей, после того как был достигнут прогресс в технологии жаропрочных материалов и накоплены необходимые знания в области аэродинамики турбомашин. Современная тенденция в развитии ГТУ состоит в повышении начальной температуры и давления рабочих газов при простых схемных решениях. Применение специального охлаждения горячих деталей и жаропрочных материалов позволило поднять температуру рабочих газов до 850 0 С для базовых и до 950 ¸ 1000 0 С для пиковых установок. Дальнейший прогресс в этой области связан с совершенствованием систем охлаждения и, в первую очередь, способов охлаждения рабочих лопаток газовых турбин, а также с разработкой новых жаропрочных материалов. Ближайшее десятилетие ожидается дальнейший рост единичных мощностей энергетических ГТУ и повышение начальной температуры газа. При разработке и эксплуатации газотурбинных газоперекачивающих агрегатов необходимы знания тепловых и газодинамических процессов, происходящих в элементах агрегата, вопросов статической и динамической прочности элементов. В данном курсовом проекте разработана многоступенчатая газовая турбина, которая может быть использована на линейных компрессорных станциях. Перечень листов графических документов Название чертежа Обозначение Формат Газовая турбина мощностью 35 МВт 101400.411410.408А . А16.01 А1 Лопатка рабочая 101400.411410.408А . А16.02 А1 Основные условные обозначения, индексы и сокращения Условные обозначения: а – скорость звука; в , В – хорда, ширина лопатки; с, w – скорость в абсолютном, относительном движении; Ср –удельная теплоёмкость; D, Dl – диаметр, веерность; F, f – площадь венца, площадь поперечного сечения лопатки; G – массовый расход; H, h - теплоперепад в турбине, в ступени; k -показатель адиабаты; l - высота лопатки; M - чило Маха; N, n – мощность, частота вращения; p - давление; S, d - осевой зазор и радиальный зазоры; T,t - температура (К , 0 С ); v- удельный обьём; z - число ступеней; a , b - угол потока в абсолютном движении и в относительном движении; g - угол раскрытия проточной части; e - коэффициент потерь; h - КПД; p - степень понижения давления; r - степень реактивности; j,y  - коэффициент скорости в соплах, на рабочих лопатках; w -угловая частота вращения. Индексы и сокращения: * - по заторможенным параметрам; 1 - на выходе из сопел, на входе в рабочие лопатки; 2 - на выходе из рабочих лопаток; а - осевая; u - окружная; с - в абсолютном движении; w - в относительном движении; z - последней ступени; ад . - адиабатический; г - газа; к - корневой; л - лопатки; н - наружный; с - сопла; р - рабочей лопатки; расп - располагаемый; ср - средний; ст - ступени; т - турбины, за турбиной. Введение В данном курсовом проекте производится расчёт и конструирование одновальной газовой турбины. В ходе работы производится определение числа ступеней, их газодинамический расчёт, рассчитываются на прочность лопатки и диск. Также после проведения необходимых расчетов выполнено профилирование лопаток, эскиз проточной части, построены графики распределения газодинамических параметров по высоте ступени и треугольники скоростей. Целью курсового проекта является определение проходных сечений сопловых и рабочих венцов ступеней турбины, геометрических характеристик направляющих и рабочих лопаток вдоль радиуса, КПД и мощности турбины. Расчётная часть курсового проекта включает в себя: 1. газодинамический расчёт турбины; 2. расчёт на прочность элементов турбины; 3. определение основных размеров подшипника; 4. расчет входного и выходного патрубков, диффузора. Исходные данные для расчета: Температура газа перед турбиной: t0 = 870 0 С; Давление газа перед турбиной: р0 = 1,52 МПа; Полная мощность турбины: N = 35 МВт; Частота вращения ротора: n = 6500 об/мин. 1. Газодинамический расчет турбины 1.1. Предварительный расчет Целью предварительного расчета является определение расхода газа через турбину и полезной мощности Давление газа за турбиной: Используя опыт предыдущего проектирования газовых турбин, принимаем: КПД диффузорного входного патрубка: ; скорость в выходном патрубке ; скорость перед диффузором ; плотность газа за турбиной . Потеря давления в диффузоре: Полное давление газа за последней ступенью турбины: Давление за последней ступенью турбины: 107326-1852 ∙0,582 / 2 = 97366 Па ; Полная мощность турбины N = 35 МВт ; Теплоемкость газовой смеси Cрт = 1,16 кДж/кг . К ; Показатель степени: ; КПД турбины: Степень понижения давления газа в турбине: Адиабатический теплоперепад в турбине: Полная температура газа за турбиной: 1143-655,8∙0,89 / 1,16 = 640 К ; Температура за турбиной: 640-1852 / 2∙1,16∙1000 = 625 К ; Уточненная плотность газа за турбиной: 107326 / 640∙288 = 0,582 кг/м3 ; Сравниваем полученное значение с уточненным: принятое значение плотности правильное Расход газа через турбину: 59,4 кг ∙с ; Коэффициент, учитывающий потери воздуха на охлаждение и уплотнение, а также добавку газа в камере сгорания: 0,98; Теплоемкость воздуха во входном патрубке компрессора: Срк = 1,010 кДж/кг . К ; Температура воздуха во входном патрубке компрессора: Показатель адиабаты для воздуха: Кв = 1,4; mк = 0,29. КПД компрессора: Такие параметры, как теплоёмкость, показатель адиабаты примем без уточнений, так как точный расчет компрессора в данном курсовом проекте не выполняется. Степень сжатия в компрессоре (примем потери на трение равными 4%): 15,46. (1 + 0,04) = 16,24; Напор компрессора: кДж/кг ; В многоступенчатой турбине вследствие перехода гидравлических потерь в тепло, располагаемый теплоперепад больше адиабатического на величину коэффициента возврата теплоты который принимаем: a = 0,01; Располагаемый теплоперепад: кДж/кг ; Полезная работа цикла: кДж/кг ; Эффективная мощность на валу турбины: Ne =He *GT =170,0*59,4=10,09 МВт. 1.2. Определение числа ступеней При выборе числа ступеней турбины z учитываем назначение ГТУ, необходимость достижения высокого значения КПД турбины . Определяющим фактором в выборе числа ступеней при заданном общем теплоперепад является окружная скорость . Изучая опыт проектирования современных турбин предпочтительно иметь на среднем диаметре , если конструкция ротора этому не препятствует. Исходя из того, что для ступени должно составлять , на каждой ступени при этом можно сработать адиабатический теплоперепад . На первую ступень желательно принять несколько увеличенный теплоперепад, чтобы заметно снизить температуру газа. Теплоперепад на последнюю ступень принимают с учётом минимизации потерь с выходной скоростью, обеспечивая эффективную работу диффузора, что при осевом диффузоре достигается при a2 =90 о ; По опыту стационарного турбостроения принимаем число ступеней в турбине , выполняя первую ступень более нагруженной. Распределим между ступенями согласно рекомендациям - Получим: ; ; ; . Произведем проверку: кДж/кг ; 1.3. Выбор осевой скорости, углов и реактивности ступеней Для стационарной ГТУ КПД турбины возрастает при уменьшении выходной скорости. Величина этой скорости при заданном расходе и параметрах газа на выходе определяется торцевой площадью последней ступени, которая, в свою очередь, связана с прочностью рабочих лопаток. Принимаем осевую составляющею скорости выхода газа из ступени с увеличением от первой ступени к последней: ; ; ; ; Принимаем угол выхода потока из сопел : ; ; ; ; Степень реактивности на среднем диаметре: ; ; ; ; 1.4. Выбор схемы проточной части Схему проточной части турбины примем с постоянным внутренним диаметром, так как при этом упрощается конструкция ротора и особенно корневой части рабочих лопаток. Определим корневой диаметр последней ступени из следующих соотношений: Коэффициент скорости . Оптимальное значение характеристики ступени: 0,60; Окружная скорость: ; Средний диаметр: м . Допустимые напряжения растяжения в корневом сечении рабочей лопатки МПа . Коэффициент формы для линейного закона изменения площадей сечений по высоте лопатки принимаем равным 0,5. Плотность материала лопатки . Угловая скорость вращения ротора турбины: . Кольцевая площадь , ометаемая рабочими лопатками четвертой ступени, определяется по формуле: м 2 ; Высота рабочей лопатки: , корневой диаметр рабочего колеса: . Принимаем конструктивно м . Значения, полученные в данном разделе, используются только для определения корневого диаметра и в последующих расчетах будут пересчитаны. 1.5. Газодинамический расчет ступени по среднему диаметру В газодинамическом расчёте ступени по среднему диаметру были определены основные размеры каждой ступени, высоты сопловых и рабочих лопаток, углы выхода потока из лопаточных венцов и параметры потока в межвенцовых зазорах каждой ступени на среднем диаметре. Результаты расчета сведены в таблицу 1.1. По результатам расчета построен эскиз проточной части (см. рисунок 1.1.) и h- s диаграмма (рис.1.2.) Таблица 1.1. Газодинамический расчет ступеней по среднему диаметру Наименование величины Формула Обозна-чение Размер- ность Ступень1 Ступень 2 Ступень 3 Ступень 4 1 2 3 4 5 6 7 8 КПД ступени Принимается h ст - 0,89 0,89 0,88 0,87 Средняя температура в ступени Тср К 1078 950 826 700 Показатель адиабаты Принимается К - 1,314 1,324 1,335 1,349 Параметр k-1/k m - 0,239 0,245 0,251 0,259 Теплоёмкость газа R/m СPT кДж/кгК 1,205 1,177 1,147 1,114 Адиабатический теплоперепад ступени из п.1.2 hст ад кДж/кг 174,9 162,8 161,6 163,1 Полная температура за ступенью Т2 * К 1012 888 764 636 Полное давление за ступенью Р2 * Па 858652 471471 237647 105253 Осевая составляющая скорости за РЛ Принимается С2а м/с 120 140 160 185 Статическая температура за РЛ Т2 К 1007 881 753 622 Статическое давление за РЛ Р2 Па 836870 441635 209410 83971 Удельный объем РЛ u 2 м3 /кг 0,346 0,574 1,036 2,132 Ометаемая площадь на выходе из РЛ F2а м2 0,1712 0,2434 0,3844 0,6842 Продолжение таблицы 1.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 Высота РЛ lр м 0,0631 0,0873 0,1314 0,2146 Веерность ступени - 13,7 10,2 7,1 4,7 Окружная скорость на среднем диаметре РЛ u2 м/с 294 302 317 345 Степень реактивности Принимается rcp - 0,25 0,30 0,35 0,45 Коэффициент скорости Принимается j - 0,965 0,965 0,965 0,965 Коэффициент скорости Принимается y - 0,955 0,955 0,955 0,955 Адиабатический теплоперепад в СА hс ад кДж/кг 131,1 113,9 105,1 89,7 Адиабатический теплоперепад в РК hр ад кДж/кг 43,8 48,9 56,5 73,4 Скорость газа на выходе из сопел С1 м/с 494 461 442 409 Угол выхода потока из сопел Принимается a град 15 16 18 21 Осевая составляющая скорости за СА C1а м/с 128 127 137 147 Статическая температура за СА Т1 К 1041 922 803 689 Статическое давление за СА Р1 Па 1001683 584159 317652 163621 Удельный объём СА u1 м3 /кг 0,299 0,455 0,728 1,212 Ометаемая площадь на выходе из СА F1a м2 0,1390 0,2125 0,3162 0,4912 Продолжение таблицы 1.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 Высота сопловой лопатки lc м 0,0519 0,0771 0,1105 0,1625 Окружная скорость на среднем диаметре СА u 1 м/с 290 299 310 328 Коэффициент расхода для СА - 0,44 0,43 0,44 0,45 Окружная проекция абсолютной скорости С1u м/с 477 443 421 382 Окружная проекция относительной скорости W1u м/с 187 144 111 54 Угол входа потока на РЛ b  град 34,3 41,4 51 69,8 Скорость выхода потока на РЛ W1 м/с 227 192 176 156 Скорость выхода потока из РЛ W2 м/с 356 350 363 395 Угол выхода потока из РЛ b2 град 19,7 23,6 26,2 27,9 Окружная проекция относительной скорости W2u м/с 335 321 325 349 Окружная проекция абсолютной скорости C2u м/с 42 19 8 4 Угол выхода потока за РЛ a2 град 70,9 82,3 87,0 91,2 Скорость выхода потока C2 м/с 127 141 160 185 Скорость звука в потока потоке за РЛ a2 м/с 617 593 556 517 Продолжение таблицы 1.1. 1 2 3 4 5 6 7 8 Число Маха за РЛ Mc2 - 0,21 0,24 0,29 0,36 Скорость звука на выходе из СА a1 м/с 628 593 556 517 Число Маха на выходе из СА Mc1 - 0,79 0,78 0,80 0,79 Температура заторможенного потока на РЛ T1w * К 1063 938 817 700 Предел длительной прочности Принимается st t МПа 100 140 220 400 Напряжения растяжения в корне РЛ sр МПа 49 70 111 197 Коэффициент запаса n - 2 2 2 2 Ширина РЛ на среднем диаметре Bp cp м 0,0221 0,0306 0,0460 0,0751 Передний осевой зазор S1 м 0,0088 0,0124 0,0184 0,0300 Ширина сопел на среднем диаметре ~ Bc cp м 0,0232 0,0321 0,0483 0,0789 Задний осевой зазор S2 м 0,0158 0,0220 0,0331 0,0540 Материал Принимается ЭИ607 ЭИ572 ЭИ572 25ХМ1Ф 1.6. Выбор и расчет закона закрутки лопаток Выполненный расчет ступеней по среднему диаметру определяет требования к геометрии лопаток только в одном сечении – среднем. У корня и на периферии условия обтекания будут отличаться. Поэтому произведен расчет ступени с учетом закрутки. За счёт безударного обтекания рабочих лопаток и предупреждения побочных течений газа в ступени экономичность ступени повышается. Закрутка потока приводит к увеличению степени реактивности ступени от корневого сечения к периферии. Для первой, второй и третей ступеней выбран обратный закон r. tga1(r)=const , Для четвертой – закон а1 (r)=const. Результаты расчета закрутки в трёх сечениях для всех четырёх ступеней сведены в таблицы 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4. Графики изменения степени реактивности, углов и скоростей по высоте четвертой ступени показаны на рисунках 1.3. – 1.5. По результатам расчёта построены треугольники скоростей (рис. 1.6. – 1.9.) Таблица 1.2.1. Расчет закрутки первой ступени по радиусу       Наименование величины Формула Обозначение Размерность Сечение Корн. Средн. Периф. 1 2 3 4 5 6 7 Относительный радиус – 0,927 1,000 1,073 Угол выхода потока из сопел a 1 град 16,1 15 14 Осевая составляющая скорости за СА C1a м/с 147 128 112 Окружная проекция абсолютной скорости C1u м/с 510 477 450 Скорость газа на выходе из сопел C1 м/с 531 494 463 Осевая составляющая скорости за РЛ C2a м/с 120 120 120 Окружная скорость U1 м/с 269 290 311 Окружная скорость U2 м/с 272 294 315 Адиабатический теплоперепад в соплах hc ад кДж/кг 151,5 131,1 115,3 Термодинамическая степень реактивности r т – 0,13 0,25 0,34 Угол входа потока на РЛ b 1