Проект усовершенствованной газотурбинной установки типа ГТН-25М

Описание

В проекте выполнена разработка двухвальной газотурбинной установки типа ГПА-25, мощностью 25 МВт, для привода нагнетателя природного газа.

Выполнено технико-экономическое обоснование.

Приняты исходные данные:

• Величина эффективной мощности ГТУ 25 МВт
• Температура воздуха, начальная 288 К, газа 1293 К
• Вращение роторов с частотой 6000/5500 мин^-1
• Вариант тепловой схемы - простая

Разработана конструкторская часть.

Описана проточная часть компрессора.

При создании компрессора применен лопаточный аппарат осевого компрессора ГТ-6-750. Выполнен его подстройка спереди с помощью новых высоконапорных ступеней. Для пропуска заданного расхода принят вариант формирования проточной части, которое выполняется заменой двух первых ступеней осевого компрессора турбины ГТН-16 на более высоконапорные. Степень повышения давления в рассматриваемых ступенях увеличивается за счет устранения перед рабочими лопатками до нуля закрутки потока. В полученном четырнадцатиступенчатом компрессоре первые четыре направляющих венца, включая ВНА, выполнены поворотными. Регулирование компрессора осуществляет на режимах запуска и при частичных нагрузках.

Разработана система охлаждения элементов турбины.

Защита основных элементов турбины от воздействия высоких температур обеспечивается за счет того, что камера сгорания в головной части оснащена экраном для создания повышенных скоростей воздуха у жаровых стенок, после которого происходит сбрасывание вторичного воздуха на стенки газохода. Защита газохода выполняется второй ступенью ввода воздуха с образованием на его стенках пленки. Статор турбины имеет двухъярусное охлаждение. Для защиты обоймы от излучения проточной части и возможного прорыва газа между вставками между сегментами вставлены экраны. Схема охлаждения ротора ТВД – параллельная.

Приведено описание агрегата.

Конструкция газотурбинной установки представляет собой единый блок, имеющий массу 90 тонн, с расположенными в нем газотурбинным двигателем, нагнетателем, рамой-маслобаком со вспомогательным оборудованием и маслопроводами. Корпус установки выполнен из двух частей, независимых друг от друга: выхлопной части и несущего цилиндра. В передней части несущий цилиндр образует осевой входной патрубок компрессора, имеющий четыре стойки. На них опирается корпус переднего подшипника, в котором расположены опорно-упорные вкладыши, муфта свободного входа и конический редуктор пускового устройства. Цилиндр оснащен разъемами: одним горизонтальным и четырьмя вертикальными. С их помощью открывается доступ к проточной части компрессора и турбин, подшипникам и камере сгорания. Выхлопная часть установлена на раме-маслобаке. Крепление диффузора за турбиной низкого давления выполнено к несущему цилиндру и корпусу заднего подшипника. В переднюю часть корпуса установлены направляющие аппараты первых шести ступеней компрессора. Кольцевая камера сгорания выполнена в виде жарового пространства, которое ограничено посредством двух листовых оболочек, установленных в каркасе. Топливо подводится к камере сгорания по наружному трубопроводу, с двух сторон, посредством четырех патрубков, к верхней и нижней половинам внутреннего коллектора. Коллектор раздает газ к двадцати струйным горелкам типа “грибок”, которые выполнены в центре лопаточных заверителей. В двух горелках выполнена установка встроенных запальных устройств со свечой. Конструкция роторов выполнена сборной дисковой. Нагнетатель природного газа выполнен одноступенчатым, с консольным расположением рабочего колеса. 

Показателями газотурбиной установки являются экономичность, автономность, унификация, ремонтопригодность, габариты и вес.

Произведены тепловые расчеты.

Выполнено определение расчетного значения степени повышения давления в цикле на ЭВМ в программном приложении Microsoft Excel. Максимальное значение КПД составляет 26. Принято расчетное значение 13,2. Рассчитано давление перед турбиной 1270 кПа, степень расширения в турбине 12,7, давление за турбиной 100 кПа.

Сделан расчет компрессора с вычисление температуры воздуха за ним, равной 639,7 К.

В ходе расчет камеры сгорания рассчитан коэффициент избытка воздуха 3,7 и относительное содержание воздуха в продуктах сгорания 40,43.

Рассчитаны значения для газовой турбины:

Приведен расчет проточной части, в ходе которого выполнено распределение перепада энтальпий по ступеням турбины.

Сделаны расчеты проточной части газовой турбины высокого давления. При расчете второй ступени ДВД определена окружная скорость у корня 302 м/с, корневой диаметр ступени 0,961 м, внешний диаметр рабочих лопаток 1,244 м, их высота 0,142 м. Аналогичный расчет проведен для первой ступени.

Расчёт проточной части турбины низкого давления проведен по аналогии.

Определены технико-экономические показатели ГТУ: удельный расход газа – 17,14 кг/кВт×ч, эффективный КПД 0,316, расход тепла 11392 кДж/кВт×ч.

Выполнены расчеты прочности.

Для рабочей лопатки первой ступени определены значения: допускаемые растягивающие напряжения 225 МПа, напряжения изгиба 12,6 МПа.

Лопатки второй ступени рассчитаны на вибрацию с определением статической частоты колебаний 565,84 гЦ и динамической 610,2 Гц.

Определена критическая частота вращения ротора ТВД 8758 об/мин.

Сделаны расчеты подшипников и упорного диска.

Составлена технологическая часть с описание последовательности технологического процесса сборки-разборки агрегата по двум вариантам: при конструкции корпуса, включающей в состав две части, и при цельной конструкции корпуса. Описан демонтаж и монтаж: верхней половины впускного патрубка, верхней половины корпуса и напорно патрубка ОК.

В исследовательской части выполнено исследование физических процессов в ступенях газовых турбин с сотовыми уплотнениями. По результатам установлено, что установка сотовых уплотнений на периферию второй ступени ТВД будет целесообразным.

По результатам проведенной модернизации установлено увеличение КПД на 0,5% и снижение удельного расхода топлива на 0,0063 кг/кВт×ч.

В дипломной работе разработана конструкция двухвальной газотурбинной установки типа ГТН-25М с сотовыми уплотнениями в блочном исполнении, мощностью 25 МВт, предназначенная для привода нагнетателя природного газа.

Чертежи (в программе): Компас 3D v