Расчет газотурбонагнетателя судового ДВС

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

be — удельный расход топлива, кг/(кВт. ч);

Срг — теплоемкость процесса расширения, кДж/(кг. К);

Срв — теплоемкость процесса сжатия, кДж/(кг. К);

К — показатель изоэнтропы;

б — коэффициент избытка воздуха;

бс — суммарный коэффициент избытка воздуха;

Lo — теоретически необходимое относительное количество

воздуха, кг/кг;

Ne — эффективная мощность, кВт;

R — газовая постоянная, кДж/(кг. К).

1. РАСЧЁТ ГАЗОТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ 4-Х ТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ

ДАНО:

Мощность двигателя Ne = 3700 кВт;

Удельный расход топлива be = 0,2 кг/(кВт·ч);

Коэффициент избытка воздуха б = 2,0;

Суммарный бc = 2,2;

Коэффициент продувки = 1,1;

Величина L0= 14. 35 кг/кг;

Давление наддува Pk = 280 000 Па;

Температура газов перед турбиной TГ = 778 К;

CРГ = 1,105 КДж/(кг·К);

Параметры атмосферного воздуха: Ра = 101 300 Па; Та =288 К;

R = 287,2 Дж/ (кг·К), Срв=1,005 кДж/(кг·К), K = 1,4.

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

Потери давления:

— на входе в компрессор Pвх = 2000 Па;

— в воздухоохладителе Pохл = 4000 Па;

— за турбиной Pвых = 1600 Па;

КПД компрессора = 0,78;

КПД турбины = 0,83;

Механический КПД = 0,96.

Таблица 1.1 — Предварительный расчёт параметров ГТН

Наименование параметра

Обозначение

Размерность

Расчётная формула или источник

Численное значение

Расход воздуха

кг/c

6. 489

Расход газа

GГ

кг/c

6. 695

Давление перед компрессором

Па

Pб — Pвх

99 300

Давление за компрессором

Па

Pk+Pох

284 000

Степень повышения давления в компрессоре

рk

2. 8

Изоэнтропий-ная работа сжатия в компрессоре

Hka

кДж/кг

65,117

Работа сжатия в компрессоре

Hk

кДж/кг

83. 483

Изоэнтропийная работа расширения

HТА

кДж/кг

101. 556

Степень понижения давления в турбине

рТ

1. 624

Давление газа за турбиной

Па

Pб + Pвых

102 900

Давление газа перед турбиной

Па

рТ

167 100

Коэффициент

Ш

1,7

2. РАСЧЁТ ЦЕНТРОБЕЖНОГО КОМПРЕССОРА

Рисунок 2.1 — Схема центробежного компрессора

Таблица 2.1 — Расчет центробежного компрессора

Наименование Параметра

Обозначение

Размерность

Расчётная формула или источник

Численное значение

Температура заторможенного потока на входе в компрессор

К

288

Давление заторможенного потока

Па

Pб -Pвх

99 300

Скорость воздуха на входе в компрессор

м/с

Принимаем 30…70

50

Температура воздуха на входе в компрессор

К

287

Давление воздуха на входе в компрессор

Па

97 500

Плотность воздуха на входе в компрессор

кг/м3

1,185

Наименование параметра

Обозначение

Размерность

Расчётная формула или источник

Численное значение

Площадь поперечного сечения на входе

F0

м2

0,1

Адиабатная работа сжатия в компрессоре

кДж/кг

Из предварительного

расчёта

65,117

Адиабатический напорный КПД

Выбирается =

0,57…0,75

0,69

Окружная скорость на наружном диаметре колеса компрессора

м/с

307,2

Осевая составляющая абсолютной скорости перед колесом при осевом входе потока

С1

м/с

Принимается 80…150

140

Температура воздуха на входе в колесо

T1

К

278,25

Потери во входном устройстве перед колесом

Дж/кг

392

Коэффициент потерь для компрессора с осевым входом

-

Принимается 0,03…0,06

0,04

Показатель политропы изменения состояния воздуха на входе

-

Определяется из равенства

1,375

Давление на входе в колесо

Па

87 600

Плотность воздуха на входе в колесо

кг/ м3

1,096

Площадь поперечного сечения входа в колесо

м2

0,042

Диаметр колеса на входе

мм

267,93

Отношение

-

Принимается

0,25 …0,60

0,50

Диаметр втулки колеса

мм

147,36

Диаметр колеса

мм

Принимаем 0,6

446,55

Частота вращения колеса

nк

1/с

218,977

Средний диаметр на входе в колесо

D1ср

мм

216,22

Шаг лопаток на среднем диаметре колеса

мм

25,16

Число лопаток колеса

-

Принимается 7…37

27

Коэффициент загромождения входа в колесо на среднем диаметре

-

толщина лопатки на среднем диаметре

0,82

Отношение

-

Принимается 0,14…0,22

0,18

Окружная скорость на среднем диаметре

м/с

148,75

Угол входа потока на среднем диаметре

град.

43,27°

Угол установки лопаток

град.

45,77°

Угол набегания потока

i

град.

Выбирается 2…3

2,5°

Меридиональная скорость на входе в колесо

м/с

170,73

Относительная скорость на входе в колесо на среднем диаметре

м/с

226,44

Окружная скорость на диаметре

м/с

184,32

Число Маха на среднем диаметре в относительном движении

-

0,677

Потери на входе в колесо

Дж/кг

5127

Коэффициент потерь

-

Выбирается 0,1…0,3

0,2

Потери на поворот и трение в межлопаточных каналах

Дж/кг

1568

Коэффициент потерь

-

Выбирается 0,1…0,2

0,16

Радиальная составляющая абсолютной скорости потока на выходе из колеса

м/с

140

Потери на трение диска колеса о воздух и вентиляцию

Дж/кг

5662

Коэффициент потерь

-

Выбирается 0,04…0,06

0,06

Коэффициент мощности

-

где =3,14

0,908

Температура воздуха за колесом

К

330,43

Показатель политропы сжатия воздуха в колесе

-

Определяем из равенства

1,53

Давление воздуха за

колесом

Па

143 900

Плотность воздуха за колесом

кг/ м3

1,516

Окружная составляющая абсолютной скорости С2 на выходе из колеса

С

м/с

278,937

Абсолютная скорость воздуха на выходе из колеса

С2

м/с

312,1

Окружная составляющая относительной скорости на выходе из колеса

м/с

28,264

Радиальная составляющая относительной скорости на выходе из колеса

м/с

140

Относительная скорость на выходе из колеса

м/с

142,824

Угол между векторами абсолютной скорости и окружной на выходе из колеса

град.

26,652°

Угол между векторами относительной и окружной скоростей на выходе

град.

78,586°

Шаг лопаток на выходе из колеса

мм

51,96

Коэффициент загромождения выхода из колеса

-

0,95

Отношение

-

Выбирается 0,03…0,07

0,05

Ширина колеса на выходе

мм

22,943

Отношение

-

0,051

Ширина безлопаточной части диффузора на выходе

мм

22,278

Наружный диаметр безлопаточной части на входе в лопаточный диффузор

мм

517,556

Абсолютная скорость на выходе из безлопаточной части диффузора в 1 приближении

м/с

277,326

Температура воздуха на выходе из безлопаточной части диффузора в 1 приближении

К

340,624

Показатель политропы сжатия на выходе из безлопаточной части диффузора

-

Определяется из равенства

1,855

Величина

-

Выбирается 0,23…0,45

0,38

Давление на выходе из безлопаточной части диффузора в 1 приближении

Па

153 700

Плотность воздуха на безлопаточной части диффузора в 1 приближении

кг/ м3

1,571

Скорость во 2 приближении

м/с

267,637

Температура воздуха во 2 приближении

К

343,248

Показатель политропы

-

определяется из данного равенства

1,855

Давление во 2 приближении

Па

156 200

Плотность воздуха во 2 приближении

кг/ м3

1,585

Скорость в 3 приближении

м/с

265,244

Температура в 3 приближении

К

343,882

Давление в 3 приближении

Па

156 900

Плотность воздуха в 3 приближении

кг/ м3

1,588

Скорость воздуха на выходе из безлопаточной части диффузора

м/с

264,672

Наружный диаметр лопаточного диффузора

мм

705,555

Ширина лопаточного диффузора на выходе

мм

26

Угол наклона вектора абсолютной скорости на выходе из лопаточного диффузора

град.

41°

Число лопаток диффузора

-

Выбирается 9…36

24

Шаг лопаток при входе в диффузор

мм

67,648

Шаг лопаток на выходе из диффузора

мм

92,357

Коэффициент загромождения на входе в лопаточный диффузор

-

толщина лопаток диффузора на входе

0,96

Величина

-

Выбирается 0,03…0,05

0,04

Коэффициент загромождения на выходе из лопаточного диффузора

-

толщина лопаток на выходе из диффузора

0,969

Величина

мм

Выбирается 0,02…0,04

0,031

Отношение температур

-

Определяется методом подбора из уравнения

1,07

0,181

0,101

1,6

Температура воздуха на выходе из диффузора

К

371,737

Давление на выходе из диффузора

Р3

МПа

0,193

Плотность воздуха на выходе из диффузора

с3

кг/м3

P3/(R·T3)

1,809

Скорость на выходе из лопаточного диффузора

С3

м/с

98,97

Скорость на выходе из улитки

С4

м/с

Принимаем

С43

С43

98,97

Потери в улитке

Lч ул

о4 =0,3…0,4

принимаем

1469

0,3

Температура на выходе из улитки

T4

К

Т43

371,737

Давление на выходе из улитки

P4

МПа

0,199

Действительная степень повышения давления в компрессоре

кд

-

2,004

Адиабатическая работа определенная по действительной степени повышения давления

Нкад

63,332

Адиабатический КПД компрессора

зкад

-

0,758

Напорный адиабатный КПД

Had. d

-

0,671

Мощность, затрачиваемая на привод компрессора

Nk

кВт

; NT?Nk

689,654

3. Расчет газовой турбины

Дано (из предварительного расчета параметров ГТН):

— расход газа Gг=6,695 кг/с;

— параметры газа:

Рг*=167 100 Па; Р*2=102 900 Па; Тг =778 К, Срг =1,105 кДж/кг;

— R =0,2884 кДж/кг;

— Кг =1,35;

— частота вращения ротора турбины (из расчета компрессора). nm = 218,977

Принятые величины:

— степень реактивности на среднем диаметре с =0,35;

— угол выхода потока из сопел б1 =150;

— коэффициенты скорости =0,96; ш=0,98;

— радиальный зазор лопаток д =1мм;

— механический КПД турбины зм=0,98.

Рисунок 3.1 — Схема осевой турбины

Таблица 3.1 — Расчет газовой турбины

Наименование параметра

Обозначение

Размерность

Расчетная формула или источник

Численное значение

Степень понижения давления в ступени

рТ

-

1,624

Относительное изоэнтропийное падение температуры

лТ

-

0,118

Наименование параметра

Обозначение

Размерность

Расчетная формула или источник

Численное значение

Изоэнтропийный перепад энтальпий

ha

кДж/кг

Срг Тг лТ

101,553

Изоэнтропийный перепад энтальпий:

— в соплах

— рабочем колесе

haн

hар

кДж/кг

кДж/кг

(1-с) ha

с·hа

64,994

101,553

Теоретическая скорость газа за соплами

C1t

м/с

360,538

Величина

лн

-

hан/(Срг . Тг)

0,076

Степень понижения давления в соплах

рн

-

1,354

Статическое давление газа за соплами

P1

МПа

P*гн

0,123

Температура газа за соплами

T1

К

723,794

Удельный объем газа за соплами

1

м3/кг

1,685

Действительная скорость

C1

346,116

Площадь потока сопел

F1

м2

0,033

Скоростная характеристика

н1

-

0,724

Окружная скорость на среднем диаметре

U

261,189

Средний диаметр

d1

м

u/рn

0,38

Длина сопловой лопатки

l1

м

F1/рd1sinб1

0,106

Геометрические параметры соплового аппарата:

отношение

-

Принимаем

2,0

ширина лопатки

B1

м

0,053

угол установки

вВ

град.

22,47+0,822б1

35,7

хорда профиля

b1

м

B1/sinвв

0,09

относительный шаг

-

Принимаем

0,8

шаг лопаток

t1

м

b1

16,486

число лопаток

Z

-

р·d1/t1

17

осевой зазор

а

м

Принимаем

0,05

Относительная скорость

щ1

115,643

Угол входа потока

в1

град.

50,772 O

Относительная скорость

щ2

276,448

Температура газов за рабочим аппаратом

T2

K

695,264

Удельный объем

2

м3/кг

10-6 Rr T2 /P*2

1,941

Длина рабочей лопатки

l2

0,108

Площадь протока рабочего аппарата

F2

м2

0,047

Угол выхода потока

в2

град.

21,49О

Скорость выхода

c2

101,35

Угол выхода потока

б2

град.

1,532О

Геометрические параметры рабочего аппарата:

отношение

-

Принимаем

3

ширина лопатки

B2

м

0,036

угол установки

вВ

град.

57,84-, 393в1+0,822 в2

55,551О

хорда профиля

b2

м

B2/sinвв

0,043

относительный шаг

-

Принимаем

0,54

шаг лопаток

t2

-

b2

0,019

число лопаток

Z2

-

рd1/t2

62

Удельная работа на окружности

hu

кДж/кг

86,287

Окружной КПД

зu

-

0,85

Наружный диаметр рабочего колеса

dH2

м

0,489

Потери энергии на утечки

qУ

кДж/кг

2,822

Мощность трения диска

NT

кВт

2,848

Потери трения диска

qT

-

0,425

Внутренняя работа турбины

hi

кДж/кг

83,04

Внутренний КПД

зi

-

0,0799

Эффективный КПД

зT

-

0,786

Эффективная мощность

Ne

кВт

678,645

1,622

4. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

ДАНО:

— длина лопатки l = 10,755 см;

— средний диаметр dср = d1 = 41,9 см;

— окружная скорость на среднем диаметре u = 261,189 м/с;

— шаг лопаток t2 = 1,9 см;

— число лопаток z2 = 62;

— расход газа Gr = 6,695 кг/с;

— удельная работа на окружности hu = 86,287 кДж/кг;

— угол выхода потока из сопел б1 = 15О;

из рабочих лопаток б2 = 87,761О;

— температура газа за соплами Т1 = 723,794 К;

— относительная скорость w1 = 115,643 м/с.

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

— плотность материала с = 8,45. 10-3 кг/м3;

— отношение площадей FH/FВ = 0,35;

— коэффициент q = 0,5;

— теплоемкость газа Сpr = 1105 Дж/(кг. К);

— коэффициент ч = 0,95;

— момент сопротивления Wmin = = 1,11;

— и — из таблиц приложения 2 [2] для профиля Р-30−21А.

Пример расчета прочности рабочих лопаток представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Расчет прочности рабочих лопаток

Наименование

Обозначение

Размерность

Расчетная формула или источник

Численное значение

Напряжение растяжения лопатки постоянного сечения

МПа

295,938

Коэффициент формы

Ф

-

0,589

Напряжение растяжения

р

МПа

174,282

Окружное усилие

Рu

Н

41,985

Осевое усилие

Рa

Н

42,521

Изгибающее усилие

Риз

Н

59,755

Изгибающий момент

М

Нм

321,34

Напряжение изгиба

и

МПа

585,813

Суммарное напряжение

сум

МПа

760,094

Температура в корневом сечении рабочей лопатки

К

693,353

Принимаем материал

XH35BT

При: t = 420,353 °C

= 390 МПа

= 370 МПа

Запас длительной прочности

КD

1,94

Запас по пределу ползучести

Кг

1,84

5. РАСЧЕТ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

ДАНО:

— средний диаметр dср = 29,1 см;

— длина лопатки l = 10,9 см;

— ширина лопатки В = 3,6 см;

— геометрические параметры (расчетные) на среднем радиусе:

— угол входа потока в1 = 50,722О;

— угол выхода потока в2 = 21,49О;

— хорда профиля b2 = 4,3 см;

— температура лопатки t = 501,8 °С;

— материал лопатки XH35BT;

— плотность материала с = 8,45. 10-3 кг/см3;

— число сопловых лопаток Z1 = 21;

— частота вращения n = 254 с-1.

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

По углам в1 = 48О26I и в2 = 21О из таблицы П2 [2] принят профиль рабочей лопатки Р-46−29А с параметрами:

— хорда профиля bисх = 2,56 см;

— площадь профиля Fисх = 1,22 см2;

— момент сопротивления Wисх = 0,112 см3;

— момент инерции Jисх = 0,071 см4;

— модуль упругости Е = 17. 104 МПа.

Таблица 5.1 — Расчет колебаний рабочий лопаток

Наименование

Обозначение

Размерность

Расчетная формула или источник

Численное значение

Приведенная длина лопатки

lпр

см

l+0,35В

Приведенная площадь профиля

Fпр

см2

0,8Fн+0,2Fв

Из расчета закрутки лопаток [2]

Приведенный момент инерции

Jпр

см4

0,2Jн+0,8Jв

Частота собственных колебаний лопаток

fc1

с-1

Расчетная площадь профиля рабочей лопатки

F

см2

3,518

Момент сопротивления

W

см3

0,549

Момент инерции

J

см4

0,591

Приближенно частота собственных колебаний лопаток (статическая)

fc1

с-1

889,602

Коэффициент

Вп

--

0,75dср/l-1

3,093

Частота собственных колебаний лопаток

(динамическая)

fd1

с-1

969,372

Кратность

K

-

fd1/n

4,427

Величина

-

-

z1 n/ fd1

3,84

Примечание: Кратность K = 4,427 не находится в опасной зоне.

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

ДАНО:

— схема ротора представлена на рисунке 6. 1;

— номинальная частота вращения n0 = 254 с-1 (см. таблицу 2. 1).

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

— масштаб длин mд = 10 см/см;

— масштаб сил mс = 50 Н/см;

— фиктивных нагрузок mф = 5 см2/см;

— полюсные расстояния Н12=5 см;

— модуль упругости E = 2,06·107 Н/см2.

Расчет критической частоты вращения представлен в таблице 6.1.

Таблица 6.1 — Расчет критической частоты вращения

Наименование

Обозначение

Размерность

Расчетная формула или источник

Численное значение

Момент инерции основного участка вала

Jо

см4

р / 64

399,82

Масштаб прогиба

mn

0,7 588

Максимальный прогиб

Ymax

см

y mn

0,7 209

Критическая частота вращения ротора

nкр

с-1

200,211

Коэффициент запаса

Kn

%

ротор гибкий nраб> nкр

8,57

Рисунок 6.1 — Графическое определение прогибов ротора

Таблица 6.2 — Определение прогибов ротора

Примечание:;

При расчете ротора на n критическое учитывать массу дисков.

7. Выбор подшипников

газовый турбина дизель компрессор

При диаметре вала d = 40 мм и частоте вращения вала

n = 41 280 об/мин выбираем подшипники роликовые, конические, однорядные средней серии № 27 308.

Коэффициент работоспособности ,

С = 11 850

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой