Модернизация турбины высокого давления ГТТ-12

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 7
1.1. Постановка цели и задач работы 7
1.2. Рабочий процесс ступени осевой турбины 8
1.3. Обзор агрегата АК-72 20
1.4. Программные средства, используемые в выпускной квалификационной работе 23
2. ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ ИСХОДНОЙ ТВД 27
2.1. Исходные данные для проектирования 27
2.2. Алгоритм расчётного исследования рабочего процесса в ступени осевой турбины 28
2.3. Построение расчётной модели в модуле Design Modeler 32
2.4. Построение сетки конечных элементов в TurboGrid 34
2.5. Задание параметров расчёта и граничных условий в CFX 38
2.6. Анализ и обработка результатов расчёта исходной конструкции 41
3. РАСЧЁТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТВД НА НОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕЙ СРЕДЫ 53
3.1. Расчёт ТВД на новые параметры и сравнение с исходной конструкцией 53
3.2. Исследование влияния радиального зазора на параметры ТВД 54
3.3. Исследование влияния углов атаки на параметры ТВД 60
3.4. Исследование влияние винглета на параметры ТВД 63
3.5. Расчёт итогового варианта ПЧ ТВД. Сопоставление результатов расчёта…….. 75
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 80
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 82

Весь текст будет доступен после покупки

Работа выполнена по заказу инжинирингового предприятия Санкт-Петербурга в рамках НИОКРа на обследование динамического оборудования агрегата по производству азотной кислоты – АК-72.
В данной работе представлена только часть выполненных расчётных исследования, относящаяся к ТВД.
В настоящее время интенсивно развиваются современные методы моделирования и проектирования ТВД. Применение таких методов может позволить улучшить экономичность турбинных установок, снизить их массогабаритные показатели и себестоимость изготовления.
Целью данной работы является – Модернизация турбины высокого давления ГТТ – 12 в составе агрегата по производству азотной кислоты.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- Обзор существующих конструкций ТВД и изучение методов их расчёта;
- Изучение и освоение современных программных средств проектирования.
- Выполнение газодинамического расчёта проточной части исходной конструкции;
- Расчёт и анализ газодинамических параметров проточной части турбины на новые параметры;
- Проведение расчётных, исследований по трёхмерной модели, вариантов модернизация ТВД на новые параметры с целью повышения её эффективности за счёт изменения следующих геометрических параметров: изменение радиального зазора, изменение угла поворота рабочей лопатки, добавление в конструкцию рабочей лопатки винглета;

Весь текст будет доступен после покупки

1.1. Постановка цели и задач работы

Цель выпускной квалификационной работы бакалавра – Модернизация турбины высокого давления ГТТ – 12 в составе агрегата по производству азотной кислоты, на основе использования современных методов моделирования и проектирования.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Обзор существующих конструкций ТВД и изучение методов их расчёта;
Изучение и освоение современных программных средств проектирования.
Выполнение газодинамического расчёта проточной части исходной конструкции;
Расчёт и анализ газодинамических параметров проточной части турбины на новые параметры;
Проведение расчётных исследований по трёхмерной модели, вариантов модернизация ТВД на новые параметры с целью повышения её эффективности за счёт изменения следующих геометрических параметров: изменение радиального зазора, изменение угла поворота рабочей лопатки, добавление в конструкцию рабочей лопатки винглета;
Анализ полученных результатов и рекомендации по модернизации ТВД.



1.2. Рабочий процесс ступени осевой турбины
Турбина – это лопаточная машина, в которой происходит непрерывный отбор энергии от сжатого и нагретого газа, а также преобразование ее в механическую энергию вращения ротора.
Турбины бывают одно- и многоступенчатыми. Максимальное число ступеней в турбинах современных авиационных ГТД достигает семи штук. Число ступеней паровых турбин может превышать эту величину.
По направлению движения рабочего тела турбины делятся на осевые, радиальные (центробежные и центростремительные) и диагональные.
Ступень турбины обычно состоит из двух лопаточных венцов: неподвижного соплового аппарата (СА) и вращающегося рабочего колеса (РК)
В ступени турбины три характерных сечения:
на входе в СА сечение 0-0
на выходе из СА (вход РК) сечение 1-1
на выходе из РК сечение 2-2
Величина степени расширения газа в ступени турбины ?_m^* обычно находится в интервале от 1,5 до 5. Большие значения соответствуют высоконагруженным осевым турбинам высокого давления (ТВД) и центростремительным турбинам, а меньшие – турбинам низкого давления (ТНД). В настоящее время существует концепция сокращения числа ступеней лопатных машин. Поэтому степень расширения газа в одной ступени перспективной турбины может превышать 5.
Схема и принцип действия осевой турбины
Рассмотрим принцип действия осевой турбины. Выделим ступень турбины толщиной dr на произвольном радиусе ri (рис.1.2 а, б).
На входе в СА газ имеет первоначальные параметры Т_0 и р_0 и скорость с_0 направленную под углом ?_0 к фронту решётки. Для исключения потерь, связанных с отрывом потока, лопатки проектируются так, чтобы угол лопаток был близок к углу натекания потока (?_л? ?_0л).
Лопаточный венец СА выполняется таким образом, чтобы конструктивный угол решетки на выходе из СА ?_1л был гораздо меньше лопаточного угла на входе в решётку ?_0л. При таком соотношении углов площадь межлопаточного канала на выходе из СА оказывает существенное меньше, чем на выходе, т.е. межлопаточный канал СА является сужающимся (конфузорным). Это приводит к увеличению абсолютной скорости газа с_1>с_0. Течение в СА является энергоизолированным, поэтому полные параметры газа остаются практически постоянными, поскольку они характеризуют его внутреннюю энергию, а в СА энергия (в виде механической работы или тепла) не подводится и не отводится. Строго говоря, газ при прохождении канала СА всё-таки совершает небольшую механическую работу против сил трения (в пограничном слое и между слоями при турбулентности). Поэтому полное давление р немного уменьшается. Полная температура же Т не изменяется, поскольку тепло, выделившееся из-за такого трения, целиком остаётся внутри газа.[1]

Рис 1.2.1 Схема и принцип действия ступени осевой турбины
Согласно уравнению Бернули (?_1^2-dp/p+ (c_2^2-c_1^2)/2=0) при неизменных полных параметрах увеличение скорости потока приводит к снижению статических параметров: давления и температуры (p1 < p0,T1 < T0). Таким образом, в СА потенциальная энергия рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию потока. Кроме того, для создания на РК максимального крутящего момента и получения наибольшей работы (L_u= c_1u u_1+c_2u u_2) CA создаёт закрутку выходящего потока (с1u>>с1r), разворачивая высокоскоростной поток практически в окружном направлении (?1 =12..25°). На входных кромках РК газ участвует в двух движениях относи- тельном (относительно лопаток РК) со скоростью На входных кромках РК газ участвует в двух движениях относи- тельном (относительно лопаток РК) со скоростью w_1 и переносном (вместе с лопатками РК) со скоростью c_1 относительно неподвижной СК определяется векторной суммой v. Межлопаточный канал РК также часто выполняется сужающимся (конфузорным). В результате скорость потока в относительном движении возрастает w_2>w_1, а статические давления и температура рабочего тела снижаются (р_1>р_2,Т_1>Т_2).[2]
Абсолютная скорость газового потока c2 на выходе из РК определяется как векторная сумма (c_2 ) ?=(w_2 ) ?+(u_2 ) ?. Обычно ступени турбины проектируют так, чтобы скорость с_2 была близка к осевому направлению, т.е. угол ?_2 был близок к 90°. Это способствует обеспечению высоких КПД турбинных ступеней. Проходя через межлопаточный канал РК, поток газа поворачивается. В результате из-за действия центробежных сил поток газа прижимается к поверхности корытца, из-за чего происходит местное повышение давления (показано знаком «+» на рис. 1, б). С другой стороны, те же силы «отжимают» поток от спинки формируя там область разрежения (показана знаком «–» на рис. 1, б). В результате рабочая лопатка испытывает действие разности давлений, равнодействующая сила Р ? которой направлена в сторону указанную на рис 1, б.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Белоусов, А.Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин [Текст]/А.Н. Белоусов, Н.Ф. Мусаткин, В.М. Радько. - Самара ФГУП Издательство Самарский Дом печати”, 2003. – 336с.
2. Холщевников, К.В. Теория и расчет авиационных лопаточных машин [Текст]/ К.В. Холщевников, О.Н. Емин, В.Т. Митрохин. М.: Машиностроение, 1986. 432с.
3. Japike D., Baines N.C., Introduction to Turbomachinery [Текст]. Concept NREC ETI INc
4. Андерсон, Д. Вычислительная гидромеханика и теплообмен [Текст]. В 2-х томах/ Д. Андерсон, Дж. Таннехил, Р. Плетчер. – М. Мир,1990.- 384с.
5. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости [Текст]/ С. Патанкар. – М. Энергоатомиздат, 1984. – 150с.
6. Флетчер, К. Вычислительные методы в динамике жидкостей [Текст]. В 2-х томах/К. Флетчер. – М.: Мир, 1991. – 1056с.
7. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. – М. Наука, 1974. - 711с.
8. www.ansyssolutions.ru [электронный ресурс].

Весь текст будет доступен после покупки