Методы построения эксплуатационных характеристик

 

Эксплуатационные характеристики ТВаД могут быть получены в процессе специальных испытаний на стендах. ЭХ, полученные экспериментально, являются наиболее точными, так как учитывают все факторы, действующие в реальных условиях работы двигателя. Однако для их получения требуются дорогостоящие стенды. Поэтому, обычно, на наземных стендах экспериментально получают только ДХ.

Расчетные методы позволяют получать ЭХ с меньшими затратами сил и средств, а также получать ЭХ вновь проектируемых двигателей. ЭХ, получают в результате расчета N _е и c _е при различных значениях n, Т _н, р _н.

Основная сложность при расчете ЭХ заключается в том, что необходимо иметь характеристики отдельных узлов (ВЗ, ОК, КС, ГТ, РС) двигателя с нанесенными на них линиями рабочих режимов (ЛРР) в соответствии с заданной программой регулирования. Характеристики отдельных узлов также необходимо получить экспериментально или рассчитать с учетом максимального количества, действующих на узел факторов.

Таким образом, получение ЭХ расчетными методами с достаточно высокой точностью тоже требует значительных затрат сил и средств.

Для приближенной оценки двигателя с приемлемой точностью, при минимуме информации о нем, можно применить приближенные аналитические методы расчета ЭХ.

Сущность этих методов заключается в том, что характеристики всех узлов задаются приближенно, аналитическими зависимостями, либо численные значения коэффициентов потерь энергии в узлах двигателя и кпд узлов принимаются постоянными и задаются исходя из статистических данных для данного класса двигателей, что и определяет погрешность метода.

Учитывая, что современные ГТД имеют осевые компрессоры с высокой степенью регулирования, допущение о том, что кпд компрессора остается примерно постоянным при изменении условий эксплуатации и режима работы двигателя, является вполне корректным.

 

Контрольные вопросы:

1. Проанализировать особенности дросселирования ТВаД при постоянной частоте вращения ротора газогенератора.

2. Проанализировать особенности дросселирования ТВаД при комбинированной программе дросселирования.

3. Проанализировать особенности дроссельных характеристик ТВаД со СТ.

4. В чем практическая значимость интегральных дроссельных характеристик?

5. Как и почему изменится эффективная мощность ТВад при уменьшении атмосферной температуры воздуха?

6. Почему климатические характеристики протекают нелинейно?

Раздел 3 (мод. 3). Расчет ТВаД

 

Лекция 7. Основы термогазодинамического расчета ТВаД

 

Вопросы лекции:

1. Основные этапы расчета ТВаД.

Предварительный расчет ТВаД.

Основные этапы расчета ТВаД

Термогазодинамический расчет является начальным этапом проектирования газотурбинного двигателя.

Целью термогазодинамического расчета ТВаД является:

1. Определение оптимальных параметров рабочего процесса ТВаД .

2. Определение параметров рабочего тела в характерных сечениях газового тракта ТВаД, основных параметров двигателя
(N _уд; М _в; М _г; с _е; η_е; N _к; N _т), оценка геометрических размеров характерных сечений и частоты вращения ротора.

3. Построение дроссельных и климатических характеристик ТВаД.

 

Обычно исходными данными для проектируемого ТВаД являются: эффективная мощность N _e.p на расчетном (номинальном) режиме работы двигателя; расчетные температура Т _н и давление р _н наружного воздуха. Кроме этого задается желаемая или максимально допустимая величина удельного расхода топлива c _е.зад.

Газодинамический расчет ВРД производится в три этапа:

На первом этапе (предварительный расчет) определяют оптимальное сочетание параметров , которые обеспечивали бы приемлемую величину N _е.уд при заданном значении c _e.

Одним из способов решения задачи первого этапа является использование параметров двигателя-прототипа. Для этого, задаются рядом значений параметров рабочего процесса близких к значениям соответствующих параметров прототипа. По упрощенным формулам производят предварительный расчет N _е.уд и c _e для выбранного спектра значений параметров во всех их сочетаниях.

По результатам предварительного расчета строят графики зависимостей и (рис. 3.1, 3.2). Анализируя графики, определяют оптимальные значения параметров рабочего процесса , , , удовлетворяющие заданным требованиям по величине N _е.уд, c _e.

Примечание. Анализируя графики зависимостей ) и ), необходимо выбрать наивыгоднейшее сочетание и , которое принимается за «исходное» в дальнейших расчетах.

Выбор исходного сочетания и определяется назначением двигателя и условиями его работы. У мобильных ГТУ, работающих на относительно дешевом топливе (например – попутный газ при нефтедобыче) масса ГТУ в основном определяется массой ТВаД и поэтому желательно такое сочетание и , которое обеспечивает высокую N _уд, то есть меньшую массу двигателя при заданной эффективной мощности N _е. При относительно высокой стоимости или ограниченных запасах топлива большое значение приобретает снижение с _е, то есть увеличение экономичности. Поэтому в данном случае выбирают сочетание и , обеспечивающее меньшие значения с _е, если при этом даже несколько снижается N _уд.

При выборе исходных значений и особенно надо учесть также возможность их реализации в данной схеме двигателя. Так, например, большие значения (более 9…10) требуют применения двухкаскадного компрессора или эффективной его механизации с целью расширения диапазона устойчивой работы.

Рекомендуется выбирать исходные параметры, в известной мере ориентируясь на двигатель- прототип, то есть для значений с _е.зад(с _е.прот) и .
В этом случае определяется следующими способами:

1. Например: если для и с _с = 180м/с удельные расходы топлива при равны соответственно с _е1 и с _е2 (см. рис.7.2), то выбрав с _с = 180м/с, можно определить по формуле:

 

; (3.1)

 

2. Например: если для и удельные расходы топлива при с _с = 180м/с и с _с = 200м/с равны соответственно с _е1 и с _е3 (см. рис.7.2), то выбрав , с _с можно определить по формуле:

 

; (3.2)

 

3. Если для всех сочетаний , и с _с с _е имеет меньшие значения, чем с _е.зад1(см. рис. 7.2), то можно задать с _е < с _е.прот(с _е.зад1), приняв < . При этом получится более экономичный двигатель с большим ресурсом.

Использование таких способов выбора и позволяет сохранить неизменным компрессор двигателя- прототипа.

Можно так же выбрать = 1400 K, а затем, зная значение с _е.зад, определить (см. рис. 3.2).

При проектировании двигателя без опоры на данные прототипа можно задаться значением максимально допустимой по условиям прочности газовой турбины, и рассчитать при которой обеспечивается наибольшая удельная мощность по формуле:

 

, (3.3)

а затем выбрать диапазон изменения в области прилегающей к .

Для полученных значений и производится предварительный расчет N _е.уд; c _e и, полученные результаты сравниваются с данными двигателя- прототипа.

Примечание. Выбор коэффициентов, учитывающих потери в узлах двигателя, для предварительного расчета производится исходя из уровня, достигнутого, для лучших двигателей аналогичного класса на момент проектирования.

Рис.3.1. Зависимости	Рис.3.2. Зависимости

 

На втором этапе, по выбранным оптимальным значениям , , с _с.опт, производят расчет параметров рабочего тела в характерных сечениях, определяют уточненные значения N _е.уд; c _e; М _в; М _г; η_е, N _к, N _т, а также оценивают геометрические размеры этих сечений, высоту рабочих лопаток компрессора и турбин, частоту вращения ротора n и количество ступеней турбин.

Результаты расчетов, полученные на втором этапе, в дальнейшем используются в качестве исходных данных для газодинамического расчета узлов двигателя (ОК, КС, ТК, СТ, ВУ).

На третьем этапе рассчитывают и строят зависимости N _е(n, р _н, Т _н) и
с _e(n, р _н, Т _н) – дроссельные и климатические характеристики ТВаД, соответственно.

 

Предварительный расчет ТВаД

 

Задание: Рассчитать ТВаД с эффективной мощностью N _e = 5000 кВт и удельным расходом топлива с _е.зад = 0,254 кг/кВт·ч в стандартных атмосферных условиях (Т _н = 288 K, р _н = 101300 Па). Двигатель предназначен для привода электрогенератора ГТУ.

Принимаем следующие значения величин:

– стехиометрический коэффициент топливного газа;

– низшая теплотворная способность топливного газа;

– коэффициент сохранения полного давления в ВЗ;

– коэффициент сохранения полного давления в КС;

– коэффициент полноты сгорания в КС;

– коэффициент сохранения полного давления в ВУ;

– коэффициент полезного действия компрессора;

– коэффициент полезного действия турбины (ТК+СТ);

– коэффициент полезного действия свободной турбины;

– коэффициент полезного действия турбины компрессора;

– коэффициент полезного действия трансмиссии;

– механический КПД, Учитывающий затраты мощности на трение в подшипниках и привод агрегатов;

– коэффициент скорости выходного устройства;

– коэффициент, учитывающий отбор воздуха на охлаждение и другие нужды, а также утечки через лабиринтные уплотнения;

– коэффициент, учитывающий увеличение температуры газа в конце процесса расширения из-за неадиабатичности процесса (подогрев газа в результате трения);

– коэффициент, учитывающий массу топлива, введенного в двигатель;

Выбираем: = 1200 K и ; = 6,9,12,15; с _с = 180 м/с и 220 м/с.

 

Определяем свободную энергию в двигателе

 

, Дж/кг. (3.4)

 

Определяем удельную мощность двигателя

 

. (3.5)

 

Определяем удельный расход топлива

 

. (3.6)

Примечание. _. В предварительном расчете принимать значения с_р = 1005 Дж/кг·K, k = 1,399.

Значения с _р.г и k _г рассчитываются по специальным программам, либо определяются по справочным таблицам в зависимости от средней температуры рабочего тела в КС

 

, 3.7

где – полная температура воздуха за компрессором

 

. 3.8

 

и коэффициента избытка воздуха α, который определяется по справочным графикам для значений и ,

Результаты расчетов сведены в таблицу 3.1.

 

 

Таблица 3.1

 

K	с с, (м/с)		N уд, (Дж/кг)·10^3	с е, кг.т/кВт·ч
			204,3	0,3215
	218,4	0,278
	213,6	0,261
	206,7	0,250
		196,9	0,340
		0,287
	206,3	0,269
	199,3	0,259
			242,3	0,324
	263,7	0,274
	263,2	0,256
	259,7	0,244
			0,335
	256,4	0,283
	255,8	0,267
	252,3	0,253

 

По полученным данным строим графики (см. рис. 3.3, 3.4). Из анализа графиков видно, что заданный удельный расход топлива с _е = 0,254 кг/кВт·ч обеспечивается при параметрах: , и с _с =180 м/c.

Анализируя графики удельной мощности, видим, что при этих параметрах лишь незначительно ниже максимального ее значения.

Более низкий удельный расход топлива можно получить при тех же и с _с =180 м/c, но при . Однако степень повышения давления труднее реализовать в однокаскадном компрессоре, так как понадобится большое число ступеней компрессора, сложная система его регулирования, что вызовет трудности в обеспечении достаточно высоких КПД и широкого диапазона его устойчивой работы.

Поэтому в качестве «исходных» выбираем параметры: , и . При этом получим предварительные значения:
с _е = 0,253 кг/(кВт·ч); N _уд = 258,2·10³ Дж/кг (258,2 кВт·с/кг).

Контрольные вопросы:

 

1. Назвать цели термогазодинамического расчета ТВаД.

2. Дать характеристику основным этапам термогазодинамического расчета ТВаД.

3. Объяснить порядок определения оптимальных параметров рабочего процесса при ориентировании на двигатель- прототип.

4. Объяснить порядок определения оптимальных параметров рабочего процесса при отсутствии двигателя- прототипа.

5. Каким образом определяют значения удельной теплоемкости и показателя адиабаты рабочего тела в сечениях двигателя?

6. Как зависит величина удельной мощности от параметров рабочего процесса?