Расчет газотурбонагнетателя судового ДВС

Вид работы:

Курсовая работа (т)
Предмет:

Другое
Язык:

Русский
,
Формат файла:
MS Word

440 Кб
Опубликовано:

2013-06-24

Все курсовые работы по другим направлениям

Скачать курсовую работу Читать текст online Заказать курсовую
*Помощь в написании! Посмотреть все курсовые работы

Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.

Расчет газотурбонагнетателя судового ДВС

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

b_e - удельный расход топлива, кг/(кВт^.ч);

С_рг - теплоемкость процесса расширения, кДж/(кг^.К);

С_рв - теплоемкость процесса сжатия, кДж/(кг^.К);

К - показатель изоэнтропы;

α - коэффициент избытка воздуха;

α_с - суммарный коэффициент избытка воздуха;

L_o - теоретически необходимое относительное количество

воздуха, кг/кг;

N_e - 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 b_e= 0,2 кг/(кВт·ч);

Коэффициент избытка воздуха α = 2,0;

Суммарный α_c = 2,2;

Коэффициент продувки = 1,1;

Величина L₀= 14.35 кг/кг;

Давление наддува P_k = 280000 Па;

Температура газов перед турбиной T_Г = 778 К; _РГ = 1,105 КДж/(кг·К);

Параметры атмосферного воздуха: Р_а = 101300 Па; Т_а=288 К; = 287,2 Дж/ (кг·К), С_рв=1,005 кДж/(кг·К), K = 1,4.

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

Потери давления:

- на входе в компрессор P_вх= 2000 Па;

- в воздухоохладителе P_охл = 4000 Па;

- за турбиной P_вых = 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	Gк	кг/c	6.489
Расход газа	G_Г	кг/c	Gк 6.695
Давление перед компрессором	ПаP_α - P_вх99300
Давление за компрессором	ПаP_k+P_ох284000
Степень повышения давления в компрессоре	π_k		2.8
Изоэнтропий-ная работа сжатия в компрессоре	H_ka	кДж/кг	65,117
Работа сжатия в компрессоре	H_k	кДж/кг	83.483
Изоэнтропийная работа расширения	H_ТА	кДж/кг	101.556
Степень понижения давления в турбине	π_Т		1.624
Давление газа за турбиной	ПаP_α + P_вых102900
Давление газа перед турбиной	Па π_Т167100
Коэффициент	Ψ		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

К288

Давление заторможенного потока

ПаP_α -Pвх99300

Скорость воздуха на входе в компрессор

м/сПринимаем 30…7050

Температура воздуха на входе в компрессор

К287

Давление воздуха на входе в компрессор

Па97500

Плотность воздуха на входе в компрессор

кг/м³1,185

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/кгИз предварительного

расчёта65,117

Адиабатический напорный КПД Выбирается =

0,57…0,750,69
Окружная скорость на наружном диаметре колеса компрессора	м/с307,2
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/кг392
Коэффициент потерь для компрессора с осевым входом		-Принимается 0,03…0,060,04

Показатель политропы изменения состояния воздуха на входе -Определяется из равенства

1,375
Давление на входе в колесо	Па87600
Плотность воздуха на входе в колесо	кг/ м³1,096
Площадь поперечного сечения входа в колесо	м²0,042
Диаметр колеса на входе	мм267,93

Отношение -Принимается

0,25 …0,600,50
Диаметр втулки колеса	мм147,36

Диаметр колеса мм

Принимаем 0,6446,55
Частота вращения колеса	n_к	1/с	218,977
Средний диаметр на входе в колесо	D₁_ср	мм	216,22
Шаг лопаток на среднем диаметре колеса	мм25,16
Число лопаток колеса	-Принимается 7…3727

Коэффициент загромождения входа в колесо на среднем диаметре -

толщина лопатки на среднем диаметре0,82
Отношение	-Принимается 0,14…0,220,18
Окружная скорость на среднем диаметре	м/с148,75
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/с170,73
Относительная скорость на входе в колесо на среднем диаметре	м/с226,44
Окружная скорость на диаметре м/с184,32
Число Маха на среднем диаметре в относительном движении	-0,677
Потери на входе в колесо	Дж/кг5127
Коэффициент потерь	-Выбирается 0,1…0,30,2
Потери на поворот и трение в межлопаточных каналах	Дж/кг1568
Коэффициент потерь	-Выбирается 0,1…0,20,16
Радиальная составляющая абсолютной скорости потока на выходе из колеса	м/с140
Потери на трение диска колеса о воздух и вентиляцию	Дж/кг5662
Коэффициент потерь	-Выбирается 0,04…0,060,06

Коэффициент мощности -

где =3,140,908
Температура воздуха за колесом	К330,43

Показатель политропы сжатия воздуха в колесе -Определяем из равенства

1,53
Давление воздуха за колесом	Па143900
Плотность воздуха за колесом	кг/ м³1,516
Окружная составляющая абсолютной скорости С₂ на выходе из колеса	С_2и	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/с28,264
Радиальная составляющая относительной скорости на выходе из колеса	м/с140
Относительная скорость на выходе из колеса	м/с142,824
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	мм51,96
Коэффициент загромождения выхода из колеса	-0,95
Отношение	-Выбирается 0,03…0,070,05
Ширина колеса на выходе	мм22,943
Отношение	-0,051
Ширина безлопаточной части диффузора на выходе	мм22,278
Наружный диаметр безлопаточной части на входе в лопаточный диффузор	мм517,556
Абсолютная скорость на выходе из безлопаточной части диффузора в 1 приближении	м/с277,326
Температура воздуха на выходе из безлопаточной части диффузора в 1 приближении	К340,624

Показатель политропы сжатия на выходе из безлопаточной части диффузора -Определяется из равенства

1,855
Величина		-Выбирается 0,23…0,450,38
Давление на выходе из безлопаточной части диффузора в 1 приближении		Па153700
Плотность воздуха на безлопаточной части диффузора в 1 приближении		кг/ м³1,571
Скорость во 2 приближении		м/с267,637
Температура воздуха во 2 приближении		К343,248
Показатель политропы		- определяется из данного равенства1,855
Давление во 2 приближении		Па156200
Плотность воздуха во 2 приближении	кг/ м³1,585

Скорость в 3 приближении

м/с265,244
Температура в 3 приближении		К343,882
Давление в 3 приближении	Па156900
Плотность воздуха в 3 приближении	кг/ м³1,588
Скорость воздуха на выходе из безлопаточной части диффузора	м/с264,672
Наружный диаметр лопаточного диффузора	мм705,555
Ширина лопаточного диффузора на выходе	мм26
Угол наклона вектора абсолютной скорости на выходе из лопаточного диффузора	град.41°
Число лопаток диффузора	-Выбирается 9…3624
Шаг лопаток при входе в диффузор	мм67,648
Шаг лопаток на выходе из диффузора	мм92,357

Коэффициент загромождения на входе в лопаточный диффузор -

толщина лопаток диффузора на входе0,96
Величина	-Выбирается 0,03…0,050,04

Коэффициент загромождения на выходе из лопаточного диффузора -

толщина лопаток на выходе из диффузора0,969
Величина	ммВыбирается 0,02…0,040,031

Отношение температур -

Определяется методом подбора из уравнения

1,07

,181

0,101
			1,6
Температура воздуха на выходе из диффузора	К371,737
Давление на выходе из диффузора	Р₃	МПа	0,193
Плотность воздуха на выходе из диффузора	ρ₃	кг/м³	P₃/(R·T₃)	1,809

Скорость на выходе из лопаточного диффузора С₃м/с

98,97
Скорость на выходе из улитки	С₄	м/с	Принимаем С₄≤С₃С₄=С₃	98,97

Потери в улитке L_{ч ул}

ξ₄=0,3…0,4

принимаем1469

0,3
Температура на выходе из улитки	T₄	К	Т₄=Т₃	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	Н_кад		63,332
Адиабатический КПД компрессора	η_кад	-	0,758
Напорный адиабатный КПД	H_ad.d	-	0,671
Мощность, затрачиваемая на привод компрессора	N_k	кВт	; N_T≈N_k689,654

3. Расчет газовой турбины

Дано (из предварительного расчета параметров ГТН):

- расход газа G_г=6,695 кг/с;

- параметры газа:

Р_г^*=167100 Па; Р^*₂=102900 Па; Т_г =778 К, С_рг =1,105 кДж/кг;

- R =0,2884 кДж/кг;

- К_г =1,35;

- частота вращения ротора турбины (из расчета компрессора). n_m= 218,977

Принятые величины:

- степень реактивности на среднем диаметре ρ =0,35;

- угол выхода потока из сопел α₁ =15⁰;

- коэффициенты скорости =0,96; ψ=0,98;

- радиальный зазор лопаток δ =1мм;

- механический КПД турбины η_м=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		π_Т	-				1,624
Относительное изоэнтропийное падение температуры		λ_Т	-			0,118
Наименование параметра		Обозначение	Размерность			Расчетная формула или источник			Численное значение
Изоэнтропийный перепад энтальпий		h_a	кДж/кг			С_рг Т_гλ_Т		101,553
Изоэнтропийный перепад энтальпий: - в соплах - рабочем колесе		h_a_н h_ар	кДж/кг кДж/кг			(1-ρ) h_a ρ·h_а		64,994 101,553
Теоретическая скорость газа за соплами		C_1t	м/с			360,538
Величина		λ_н	-			h_ан/(С_рг^. Т_г)		0,076
Степень понижения давления в соплах		π_н	-			1,354
Статическое давление газа за соплами		P₁	МПа			P^*_г/π_н		0,123
Температура газа за соплами		T₁	К			723,794
Удельный объем газа за соплами		u₁	м³/кг					1,685
Действительная скорость		C₁				346,116
Площадь потока сопел		F₁	м²					0,033
Скоростная характеристика		ν₁	-			0,724
Окружная скорость на среднем диаметре		U						261,189
Средний диаметр		d₁	м			u/πn		0,38
Длина сопловой лопатки		l₁	м			F₁/πd₁sinα₁		0,106
Геометрические параметры соплового аппарата:
отношение				-	Принимаем		2,0
ширина лопатки	B₁			м			0,053
угол установки	β_В			град.	22,47+0,822α₁		35,7
хорда профиля	b₁			м	B₁/sinβ_в		0,09
относительный шаг				-	Принимаем		0,8
шаг лопаток	t₁			м	b₁16,486
число лопаток	Z			-	π·d₁/t₁		17
осевой зазор	а			м	Принимаем		0,05
Относительная скорость	ω₁									115,643
Угол входа потока	β₁			град.			50,772^O
Относительная скорость	ω₂						276,448
Температура газов за рабочим аппаратом	T₂			K			695,264
Удельный объем	u₂			м³/кг	10^-6R_rT₂/P^*₂		1,941
Длина рабочей лопатки	l₂						0,108
Площадь протока рабочего аппарата	F₂			м²			0,047
Угол выхода потока	β₂			град.	21,49^О
Скорость выхода	c₂						101,35
Угол выхода потока	α₂			град.	1,532^О
Геометрические параметры рабочего аппарата:
отношение				-	Принимаем		3
ширина лопатки	B₂			м			0,036
угол установки	β_В			град.	57,84-,393β₁+0,822 β₂		55,551^О
хорда профиля	b₂			м	B₂/sinβ_в		0,043
относительный шаг				-	Принимаем		0,54
шаг лопаток	t₂			-	b₂0,019
число лопаток	Z₂			-	πd₁/t₂		62
Удельная работа на окружности	h_u			кДж/кг	86,287
Окружной КПД	η_u			-			0,85
Наружный диаметр рабочего колеса	d_H2			м			0,489
Потери энергии на утечки	q_У			кДж/кг			2,822
Мощность трения диска	N_T			кВт			2,848
Потери трения диска	q_T			-			0,425
Внутренняя работа турбины	h_i			кДж/кг			83,04
Внутренний КПД	η_i			-			0,0799
Эффективный КПД	η_T			-			0,786
Эффективная мощность	N_e			кВт			678,645
							1,622

. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

ДАНО:

- длина лопатки l = 10,755 см;

- средний диаметр d_ср = 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 G_r = 6,695 кг/с;

- удельная работа на окружности h_u = 86,287 кДж/кг;

- угол выхода потока из сопел α₁ = 15^О;

из рабочих лопаток α₂ = 87,761^О;

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

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

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

- плотность материала ρ = 8,45^.10^-3 кг/м³;

- отношение площадей F_H/F_В = 0,35;

- коэффициент q = 0,5;

- теплоемкость газа С_pr = 1105 Дж/(кг^.К);

- коэффициент χ = 0,95;

- момент сопротивления W_min = = 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	_рМПа174,282
Окружное усилие	Р_u	Н			41,985
Осевое усилие	Р_a	Н	42,521
Изгибающее усилие	Р_из	Н		59,755
Изгибающий момент	М	Нм		321,34
Напряжение изгиба	_иМПа585,813
Суммарное напряжение	_сумМПа760,094
Температура в корневом сечении рабочей лопатки	К693,353

Принимаем материал XH35BT При: t = 420,353 °C = 390 МПа

= 370 МПа
Запас длительной прочности	К_D	1,94
Запас по пределу ползучести	К_г	1,84

5. РАСЧЕТ КОЛЕБАНИЙ РАБОЧИХ ЛОПАТОК

ДАНО:

- средний диаметр d_ср = 29,1 см;

- длина лопатки l = 10,9 см;

- ширина лопатки В = 3,6 см;

- геометрические параметры (расчетные) на среднем радиусе:

- угол входа потока β₁ = 50,722^О;

- угол выхода потока β₂ = 21,49^О;

- хорда профиля b₂ = 4,3 см;

- температура лопатки t = 501,8°С;

- материал лопатки XH35BT;

- плотность материала ρ = 8,45^.10^-3 кг/см³;

- число сопловых лопаток Z₁= 21;

- частота вращения n = 254 с^-1.

ПРИНЯТЫЕ ВЕЛИЧИНЫ:

По углам β₁ = 48^О26^I и β₂ = 21^О из таблицы П2 [2] принят профиль рабочей лопатки Р-46-29А с параметрами:

- площадь профиля F^исх = 1,22 см²;

- момент сопротивления W^исх= 0,112 см³;

- момент инерции J^исх = 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	l_пр		см		l+0,35В
Приведенная площадь профиля	F_пр		см²		0,8F_н+0,2F_в	Из расчета закрутки лопаток [2]
Приведенный момент инерции	J_пр		см⁴		0,2J_н+0,8J_в
Частота собственных колебаний лопаток	f_c1		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)		f_c1	с^-1	889,602
Коэффициент		В_п	--	0,75d_ср/l-1		3,093
Частота собственных колебаний лопаток (динамическая)		f_d1	с^-1	969,372
Кратность		K	-	f_d1/n		4,427
Величина		-	-	z₁ n/ f_d1		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 m_д = 10 см/см;

- масштаб сил m_с = 50 Н/см;

- фиктивных нагрузок m_ф = 5 см²/см;

- полюсные расстояния Н₁=Н₂=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	J_о	см⁴	π / 64399,82
Масштаб прогиба	m_n		0,0007588
Максимальный прогиб	Y_max	см	y m_n	0,0007209
Критическая частота вращения ротора	n_кр	с^-1	200,211
Коэффициент запаса	K_n	%	ротор гибкий n_раб>n_кр8,57