ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего образования
«Государственный университет морского и речного флота им. адм. С.О. Макарова»
Кафедра «СУДОВЫЕ ЯДЕРНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ТЕПЛОВОМУ РАСЧЁТУ СТУПЕНИ
ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫОСЕВОГО ТИПА
по дисциплине «Судовые турбомашины»
для курсантов очного и студентов заочного факультетов
по специальности 26.05.06
Санкт-Петербург
2016
Таблица I
Тепловой расчет ступени газовой турбины осевого типа
| № п/п | Наименование величины | Обозначение | Расчетная формула или источник | Значение | ||
| с диффузором | без диффузора | |||||
| 1. | Расход газа через ступень турбины, кг/с | G г | задано | |||
| 2. | Статические параметры перед ступенью: а) давление, МПа б) температура, °С | Р 0 t 0 | задано задано | 0,4 | 0,4 | |
| 3. | Давление газа за ступенью (диффузором), МПа | Р 2 (Р 3) | задано | 0,106 | 0,106 | |
| 4. | Средний диаметр ступени, мм | d | задано | |||
| 5. | Показатель изоэнтропы расширения газов | к г | см. примечания | 1,34 | 1,34 | |
| 6. | Газовая постоянная, кДж/(кг.К) | R г | см. примечания | 0,278 | 0,278 | |
| 7. | Изобарная теплоемкость газов, кДж/(кг.К) | с рг | 
| 1,096 | 1,096 | |
| 8. | Скорость газа на входе в направляющую решетку, м/с | С вх | см. примечания 
| |||
| 9. | Плотность газа перед направляющими лопатками турбины, кг/м3 | ρ0 | 
| 1,873 | 1,873 | |
| 10. | Полное давление перед направляющими лопатками, МПа | 
| 
| 0,402 | 0,402 | |
| 11. | Входная энергия на входе в направляющую решетку, кДж/кг | h вх | 
| 1,25 | 1,25 | |
| 12. | Полная температура перед направляющей решеткой, К | 
| 
| 769,14 | 769,14 | |
| 13. | Давление газа за рабочими лопатками, МПа: а) турбины без диффузора; б) турбины с диффузором. | Р 2 Р 2 |
| - 0,103 | 0,106 - | |
| 14. | Коэффициент повышения давления в диффузоре. | ξд | см. примечания | 1,029 | - | |
| 15. | Полный изоэнтропийный теплоперепад в ступени, кДж/кг | 
| 
| 246,319 | 241,958 | |
| 16. | Изоэнтропийный теплоперепад в ступени, кДж/кг | hа | 
| 245,069 | 240,708 | |
| 17. | Степень реактивности ступени | ρ | см. примечания | 0,43 | 0,43 | |
| 18. | Изоэнтропийный теплоперепад в направляющих лопатках, кДж/кг | hа н | 
| 139,689 | 137,204 | |
| 19. | Полный изоэнтропийный теплоперепад в направляющих лопатках, кДж/кг | 
| 
| 140,939 | 138,454 | |
| 20. | Действительная скорость выхода газа из направляющих лопаток, м/с | С 1 | 
| 520,287 | 515,680 | |
| 21. | Коэффициент потери скорости в направляющих лопатках | φ | см. примечания | 0,98 | 0,98 | |
| 22. | Потеря энергии в направляющих решетках, кДж/кг | q н | 
| 5,581 | 5,483 | |
| 23. | Температура в конце изоэнтропийного процесса расширения в направляющих решетках, К | Т 1 t | 
| 640,505 | 642,773 | |
| 24. | Температура в конце действительного процесса расширения в направляющих решетках, К | Т 1 | 
| 645,599 | 647,777 | |
| 25. | Давление газа за направляющими лопатками, МПа | Р 1 | 
| 0,195 | 0,198 | |
| 26. | Удельный объем газа за направляющими лопатками, м3/кг | υ1 | 
| 0,918 | 0,908 | |
| 27. | Угол выхода газа из направляющих лопаток, град. | α1 | см. примечания | |||
| 28. | Оптимальная характеристика ступени | 
| 
| 0,839 | 0,839 | |
| 29. | Окружная скорость на среднем диаметре ступени, м/с | U | 
| 436,450 | 432,585 | |
| 30. | Высота направляющих лопаток, мм | l н | 
| 73,89 | 73,767 | |
| 31. | Количество направляющих лопаток, шт | Z н | 
| |||
| 32. | Шаг направляющих лопаток | t н | см. примечания | 31,89 | 31,89 | |
| 33. | Перекыш рабочих лопаток, мм | Δ l р | см. примечания | |||
| 34. | Высота рабочих лопаток, мм | l р | 
| 77,89 | 77,767 | |
| 35. | Отношение | λ | 
см. примечания
| 8,345 | 8,358 | |
| 36. | Количество рабочих лопаток, шт | Z р | 
| |||
| 37. | Шаг рабочих лопаток, мм | t р | см. примечания | 24,011 | 24,011 | |
| 38. | Диаметр корневого сечения рабочих лопаток, мм | d к | 
| 572,11 | 572,233 | |
| 39. | Степень реактивности в корневом сечении рабочих лопаток | ρк | 
см. примечания
| 0,264 | 0,265 | |
| 40. | Относительная скорость входа газа на рабочие лопатки, м/с | W 1 | 
| 163,93 | 162,479 | |
| 41. | Угол входа потока газов на рабочие лопатки, град. | β1 | 
| 68,115 | 68,115 | |
| 42. | Полный изоэнтропийный теплоперепад на рабочих лопатках, кДж/кг | 
| 
| 118,817 | 116,705 | |
| 43. | Изоэнтропийный теплоперепад на рабочих лопатках, кДж/кг | hа р | 
| 105,379 | 103,504 | |
| 44. | Входная энергия на рабочих лопатках, кДж/кг | 
| 
| 13,437 | 13,2 | |
| 45. | Температура газа в выходном сечении рабочих лопаток, К | Т 2 | 
| 556,877 | 560,634 | |
| 46. | Полная температура газа в конце действительного процесса расширения в направляющих лопатках, К | 
| 
| 657,864 | 659,826 | |
| 47. | Коэффициент потери скорости в каналах рабочих решеток | ψ | см. примечания | 0,965 | 0,965 | |
| 48. | Относительная скорость выхода газа из рабочих лопаток, м/с | W 2 | 
| 470,401 | 466,202 | |
| 49. | Удельный объем газа на выходе из рабочих лопаток, м3/кг | υ2 | 
| 1,503 | 1,47 | |
| 50. | Угол выхода из рабочих лопаток (в первом приближении), град | β2 | 
| 30,164 | 29,786 | |
| 51. | Проекция относительной скорости W 2 на окружное направление, м/с | W 2 u | 
| 406,706 (410,32) | 404,611 (408,076) | |
| 52. | Проекция абсолютной скорости С 2 на окружное направление, м/с | С 2 u | 
при 
при 
| 29,745 (26,15) | 27,973 (27,788) | |
| 53. | Проекция абсолютной скорости С 2 на осевое направление, м/с | С 2 а | 
| 236,363 (230,026) | 231,59 (225,408) | |
| 54. | Абсолютная скорость выхода газа из рабочих лопаток, м/с | С 2 | 
| 238,228 (231,507) | 233,273 (225,62) | |
| 55. | Угол выхода абсолютной скорости из рабочих лопаток, град | α2 | 
при 
при 
| 97,172 (97,03) | 96,887 (96,851) | |
| 56. | Потеря энергии в рабочей решетке, кДж/кг | q р | 
| 8,172 | 8,026 | |
| 57. | Потеря энергии с выходной скоростью, кДж/кг | qа | 
| 28,378 (26,808) | 27,21 (25,431) | |
| 58. | Окружной КПД ступени газовой турбины | η u η u | 
| 0,8289 (0,8352) 0,8289 (0,8353) | 0,8316 (0,8381) 0,8317 (0,839) | |
| 59. | Потеря мощности на трение, кВт | N т | 
| 25,076 (25,077) | 24,959 (24,929) | |
| 60. | Коэффициент потери энергии на трение и вентиляцию | ξт | 
| 0,004 (0,004) | 0,004 (0,004) | |
| 61. | Коэффициент потери энергии от утечки в радиальном зазоре рабочих лопаток | ξут | 
| 0,022 | 0,022 | |
| 62. | Радиальный зазор в рабочих лопатках, мм | δр | см. примечание | 1,0 | 1,0 | |
| 63. | Масса рабочей среды, протекающей через радиальный зазор рабочих лопаток, кг/с | G ут | 
| 0,666 | 0,664 | |
| 64. | Расход рабочей среды через рабочие лопатки, кг/с | G p | 
| 24,334 | 24,335 | |
| 65. | Истинный угол выхода газа из рабочих лопаток, град. | β2 | 
| 29,28 | 28,917 | |
| 66. | Повторить п.п. 51 – 61 при β2, взятым из п. 65, в п. 60 G г= G p | |||||
| 67. | Внутренний КПД ступени газовой турбины | η i | 
| 0,8092 | 0,8125 | |
| 68. | Внутренний теплоперепад в ступени, кДж/кг | hi | 
| 199,321 | 196,602 | |
| 69. | Внутренняя мощность ступени, кВт | Ni | 
| 4850,28 | 4784,33 | |
| 70. | Температура газа за диффузором, К | T 3 | 
| 564,928 | - | |
| 71. | Показатель политроны сжатия в диффузоре | n д | см. примечания | - | ||
| 72. | Скорость газа на выходе из диффузора, м/с | С 3 | 
| 189,649 | - | |
| 73. | КПД (политронный) диффузора | ηд | 
| 0,507 | - | |
| 74. | Плотность газа перед диффузором, кг/м3 | ρ2 | 
| 0,665 | - | |
| 75. | Плотность газа за диффузором, кг/м3 | ρ3 | 
| 0,675 | - | |
| 76. | Диаметр входного сечения диффузора, мм | d 2 | 
| 729,89 | - | |
| 77. | Диаметр ступени турбины у вершины рабочих лопаток, мм | d в | 
| 727,89 | - | |
| 78. | Диаметр выходного сечения диффузора, мм | d 3 | 
| 800,429 | - | |
| 79. | Длина диффузора, мм | L д | 
| 181,428 | - | |
| 80. | Угол расходимости диффузора, град | γд | см. примечания | - | ||
Рис. Эскиз проточной части ступени газовой турбины осевого типа с диффузором
Таблица 2
Расчет профилирования сопловых и рабочих лопаток по высоте по методу постоянства циркуляции
| № | Наименование величины | Обозначения и формулы | Значения | ||
| Корень лопатки | Середина лопатки | Вершина лопатки | |||
| Диаметр, мм | 
| 578,11 | 727,89 | ||
| Относительный диаметр | 
| 0,880 | 1,119 | ||
| Окружная скорость, м/с | 
| 384,15 | 436,45 | 488,751 | |
| Окружная составляющая абсолютной скорости С 1, м/с | 
| 565,293 | 497,554 | 444,311 | |
| Угол выхода газа из сопловых решёток, град | 
| 15,061 | 18,899 | ||
| Осевая составляющая скорости С 1, м/с | 
| 152,102 | 152,117 | 152,115 | |
| Угол входа на рабочие лопатки, град | 
при 
 при 
| 40,2 - | 68,115 - | - 105,4 | |
| Окружная составляющая скорости С 2, м/с | 
| 29,615 | 26,15 | 23,41 | |
| Осевая составляющая скорости С 2, м/с | 
| 230,066 | 230,066 | 230,066 | |
| Абсолютная скорость выхода газа из рабочих лопаток С 2, м/с | 
| 231,964 | 231,548 | 231,254 | |
| Угол выхода газа из рабочих лопаток, град | 
при 
при 
| 32,50 | 29,28 | 26,22 | |
| Угол выхода (абсолютный) газа из рабочих лопаток, град |
при 
при 
| 97,188 | 96,30 | 95,54 | |
| Степень реактивности | 
| 0,283 | 0,43 | 0,533 |
ПРИМЕЧАНИЯ
1. Значения к г; R г; ρ; φ; ψ; α1; δр – принимаются на основании рекомендуемой литературы (включая конспект лекций).
2. Скорость газа на входе в направляющую решетку принимается равной 50 – 90 м/с.
3. t н – шаг направляющих лопаток газовой турбины выбирается равным 30 – 35 мм или принимается по прототипу.
t р – шаг рабочих лопаток выбирается равным 22 – 28 мм, либо принимается по прототипу.
4. Δ l р – перекрыш рабочих лопаток принимается равным 3 – 4 мм при l р < 100 мм, 4 – 5 мм при l р от 100 до 200 мм и 5 – 7 мм при l р от 200 до 300 мм.
5. При отношении 
<10 необходимо выполнить расчет профилирования лопаток по высоте (таб. 2).
6. Степень реактивности у корня рабочей лопатки не должна быть меньше 0,05.
7. ξд = 1,02 – 1,03 – коэффициент повышения давления в диффузоре.
8. Разность между значениями η и, определенными по формулам Эйлера и через потери не должна быть более 0,5%.
9. Показатель политроны сжатия газа в диффузоре n д принимается равным 1,8 – 2,0.
10. Угол расходимости диффузора γд принимается равным 6 – 15°.
11. При наличии диффузора за ступенью турбины дополнительно выполняются пп. 70 – 80.
12. В скобках приведены значения параметров после выполнения п. 66.
13. По полученным данным построить треугольники скоростей ступени.
Методические указания разработаны в соответствии с программой курса «Судовые турбомашины» кандидатом технических наук, доцентом «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова» Снытко М.Х., утверждены на заседании кафедры «Судовые ЯЭУ» протокол № 07 от 12 января 2016 г.