ВВЕДЕНИЕ 7
1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫ Й И УТОЧНЕННЫЙ ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ 8
1.1. Предварительный тепловой расчет 8
1.2. Уточненный тепловой расчет на номинальном режиме 13
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ КОМПРЕССОРА 19
3. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ТУРБИН ГТУ 20
3.1. Газодинамический расчет турбины высокого давления 20
3.2. Газодинамический расчет турбины низкого давления 28
3.3. Газодинамический расчет свободной силовой турбины 36
3.4. Расчет потерь энергии, КПД и мощности турбины 49
4. ПРОФИЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕЙ ЛОПАТКИ ПОСЛЕДНЕЙ СТУПЕНИ
СВОБОДНОЙ СИЛОВОЙ ТУРБИНЫ 51
4.1. Введение 51
4.2. Расчет геометрических параметров профиля 51
4.3. Графическое построение профиля 54
4.4. Оценка качества построения профилей 58
4.5. Геометрическая информация о профиле 59
4.6. Расчет рабочей лопатки 3-й ступени ССТ на прочность 61
5. СПЕЦТЕМА: РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ДЕФЕКТОВ
ЛОПАТОЧНОГО АППАРАТА ОК НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОТЫ ГТУ 67
5.1. Введение 67
5.2. Общая концепция предлагаемого метода 69
5.3. Разработка математического описания профиля 75
5.4. Верификация численной модели 82
5.5. Постановка задачи с учетом геометрических отклонений 86
5.6. Общие выводы 90
6. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ТУРБИНЫ 91
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 93
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 95
ПРИЛОЖЕНИЕ
Газотурбинная установка представляет собой энергетическую установку, в состав
которой входят газовая турбина, электрогенератор (или другой потребитель мощности), газовоздушный тракт и системы управления. Также присутствует и дополнительное оборудование, такое как компрессор, устройство запуска, теплообменный аппарат.
ГТУ нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Исторически наибольшее распространение ГТУ получили при использовании их в качестве привода на дожимных и линейных компрессорных станциях магистральных газопроводов
предприятий группы компаний ПАО «Газпром», а также у независимых поставщиков природного газа. С начала 2000-х годов, в связи с развитием электроэнергетических мощностей, в России введено в эксплуатацию большое количество энергетических ГТУ большой
мощности в составе парогазовых установок тепловых электрических станций. Кроме того,
широкое распространение получили энергетические ГТУ малой мощности, которые используются в качестве электростанций собственных нужд в нефтегазовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности, а также в качестве пиковых установок
в электроэнергетическом секторе. Количество ГТУ различных типов стационарного применения, находящихся в эксплуатации в нашей стране, составляет более 5000 единиц и с каждым годом возрастает [1, 2].
В данной работе приведено проектирование газотурбинной установки, а именно тепловой расчет, моделирование компрессора, расчет турбин, входящих в состав ГТУ, а также
профилирование лопаток последней ступени ССТ. В качестве прототипа был принят газоперекачивающий агрегат ГПА-16 «Арлан» с приводом от конвертированного авиационного
двигателя АЛ-31СТН. Данная установка работает по простому открытому циклу без регенерации теплоты уходящих газов, выполнена по трехвальной схеме с двухкаскадным ОК.
Так же в работе представлены результаты разработки математической модели, позволяющей предсказывать влияние различного рода дефектов и геометрических отклонений
лопаточного аппарата ОК в составе ГТУ на характеристики всей установки. В главе 5 продемонстрировано математическое описание геометрии лопаточного профиля, обеспечивающее возможность внесения локальных изменений в форму профиля и создания моделей
лопатки или ряда лопаток. С целью проверки и демонстрации возможностей разработанной
модели был проведен ряд численных исследований, включающих верификацию недеформированных профилей, построенных при помощи разработанного описания, и пример проведения расчетов для лопаток с учетом дефектов.
В результате работы была спроектирована приводная ГТУ на базе конвертированного авиационного двигателя АЛ-31СТН производства ПАО «ОДК-УМПО» (г. Уфа). В
процессе проведения расчетов было принято ориентироваться на массогабаритные характеристики и параметры работы ГТУ-прототипа, поэтому расчетный газогенератор практически полностью соответствует уже разработанной ГТУ. В текущей работе был проведен
ряд различных расчетов ГТУ – тепловой предварительный и уточненный расчеты, целью
которых являются определение оптимального соотношения давлений в цикле, обеспечивающего либо максимальную экономичность ГТУ, либо минимальный расход воздуха, то
есть минимальные габаритные размеры и соответственно стоимость ГТУ; моделирование
компрессора, т.к. работа не подразумевает проектирование новой ГТУ с ОК, отличающимся
от ГТУ-прототипа; газодинамические расчеты турбин в составе ГТУ, задачей которых является определение площадей проходных сечений лопаточных венцов всех ступеней, геометрических характеристик сопловых и рабочих лопаток вдоль радиуса, КПД и мощности
турбины; расчет потерь энергии; профилирование рабочих и сопловых лопаток последней
ступени свободной силовой турбины и их геометрическое описание.
Разработанная газотурбинная установка имеет следующие характеристики:
- полезная мощность, МВт 15,7
- эффективный КПД, % 33,52
- расход воздуха через компрессор, кг/с 68,45
- степень сжатия в компрессоре 18,1
- температура газа перед ТВД, К 1433
- частота вращения ротора ТВД, об/мин 12130
- частота вращения ротора ТНД, об/мин 9420
- частота вращения ротора силовой турбины, об/мин 5300
Проведенные по методикам [3, 33] расчеты позволяют выявить и проанализировать взаимосвязи геометрических параметров проточных частей установок, кинематических и газодинамических параметров потока, а также их влияние на основные техникоэконо-мические показатели и конструктивный облик ГТУ в целом. Данные задачи являлись
основными при выполнении данной работы и в процессе ее выполнения были достигнуты.
В главе 5 приведены ключевые результаты разработки схемы алгоритма создания и
эксплуатации математической модели учета влияния дефектов лопаточного аппарата на характеристики ОК в составе ГТУ и установки в целом. Представлен алгоритм построения
лопатки при помощи кривых Безье, управляющие вершины которых вычислены при помощи ключевых геометрических параметров плоской решетки, например, хорды или94
входного и выходного лопаточных углов. Выбор такого подхода обусловлен возможностью
получения всех используемых при расчете геометрических параметров из чертежной документации или при помощи измерения натурного образца. Разработанный подход обеспечивает построение профилей практически любой формы и внесение в них различных геометрических отклонений. Наличие в алгоритме возможности задания корневого радиуса и высоты лопатки позволяет сформировать из требуемого количества профилей модель лопатки, а задание осевого смещения обеспечивает возможность построения всей проточной
части компрессора для последующего экспорта координат лопаток в CAE-системы для проведения численного анализа.
В работе также приведены основные результаты верификации геометрической и расчетной моделей. Полученные в ходе численного моделирования характеристики профилей
практически совпали с экспериментальными данными с точностью до 1%, а возникшие отклонения связаны с особенностями расчетного модуля и наличием в нем определенных допущений при вычислении параметров турбулентного потока.
Завершающим этапом исследования стало проведение численного анализа течения
потока рабочего тела вокруг профилей, имеющих определенные дефекты. Были рассмотрены характеристики профиля при наличии пяти различных искусственно внесенных дефектов, связанных с используемыми в алгоритме построения лопатки геометрическими параметрами. Результаты сравнивались с данными для бездефектного профиля, полученными
при верификации модели.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
