Дипломная работа на тему "ТЮМГУ | Термодинамические процессы в газотурбинных двигателях с охлаждением воздуха в процессе сжатия"

Работа на тему: Термодинамические процессы в газотурбинных двигателях с охлаждением воздуха в процессе сжатия
Оценка: хорошо.
Оригинальность работы на момент публикации 50+% на антиплагиат.ру.
Ниже прилагаю все данные для покупки.
https://studentu24.ru/list/suppliers/Anastasiya1---1326

Описание работы

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
Кафедра прикладной и технической физики

РЕКОМЕНДОВАНО К ЗАЩИТЕ В ГЭК
Заведующий кафедрой

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
бакалаврская работа
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ С ОХЛАЖДЕНИЕМ ВОЗДУХА В ПРОЦЕССЕ СЖАТИЯ

16.03.01 Техническая физика
Профиль «Техническая физика в нефтегазовых технологиях»

Тюмень 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. УСТРОЙСТВО И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ 7
1.2. ПРИМЕНЕНИЕ СЛОЖНЫХ ЦИКЛОВ В ГАЗОТУРБИННОМ ДВИГАТЕЛЕ 9
1.3. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОТУРБИННОГО ЦИКЛА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ 12
ГЛАВА 2. КОНСТРУКЦИЯ, ПАРАМЕТРЫ ИСХОДНОГО МОДЕРНИЗИРУЕМОГО ГТД И ОСОБЕННОСТИ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ 15
2.1. КОНСТРУКЦИЯ И ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ ДГ-90 15
2.1. КОНСТРУКЦИЯ СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 31
2.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ ИСПЫТАННОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 33
ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ТЕРМОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 35
3.1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 35
3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 38
3.3. АНАЛИЗ ТОПЛИВНОГО ГАЗА 40
3.4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КАМЕРЫ СГОРАНИЯ 41
3.5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТУРБИНЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ 44
3.6. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТУРБИНЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 46
3.7. РАСЧЕТ СИЛОВОЙ ТУРБИНЫ 48
ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ 51
4.1. ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ В КОМПРЕССОРАХ И ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗА ПЕРЕД ТУРБИНОЙ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА КПД И МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ 51
4.2. РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХООХЛАДИТЕЛЯ 54
4.3. ВЛИЯНИЕ ПОЛИТРОПНЫХ КПД КОМПРЕССОРОВ И ТУРБИН НА ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЕГО МОДЕРНИЗАЦИИ 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 64
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 65
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПРОГРАММНЫЙ КОД ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОСТОГО ЦИКЛА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ 71
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММНЫЙ КОД ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА 76
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. КОМПЛЕКС ПРОГРАММ ДЛЯ РАСЧЕТА СЛОЖНЫХ ЦИКЛОВ ГТД И ТА 80

ВВЕДЕНИЕ
Нефтегазодобывающая отрасль является на сегодняшний день в нашей стране ведущей отраслью российской промышленности, которая в значительной степени формирует бюджет страны. На территории России захоронено примерно около трети всех запасов природного газа на Земле [1]. На данный момент, Россия входит в тройку лидеров по объему добычи нефти и газа и является основным экспортером на международной арене. Актуальность задачи транспортировки нефти и газа растет с каждым годом, и огромное внимание в современных исследованиях уделено проблеме транспортировки энергоносителей. Для конечного потребителя транспортировка газа может составляет более половины стоимости самого продукта [2]. Колебания потребления газа, связанные с сезонными изменениями температуры, ведут к несоблюдению постоянства режимов работы газоперекачивающих агрегатов, в частности к снижению мощности двигателя летом.
Особая роль в развитии топливно-энергетического комплекса России отводится к газотурбинным установкам. В скором времени большинство нефтяных компаний перейдет к многоцелевым многотопливным энергохимическим комплексам, ключевым элементом которых станут газовые энергетические турбины большой мощности с значением эффективного КПД. В таких условиях отечественное энергомашиностроение должно достичь нужного уровня, способным обеспечивать энергоэффективность страны и конкурировать на мировом рынке.
Важным механизмом реализации стратегии в области транспортировки газа является программа повышения термогазодинамической эффективности газоперекачивающих агрегатов, состоящая из комплекса проектов и мероприятий [3]. Такие проекты, как правило, довольно сложные, комплексные и многоэтапные [4-6].
Если производитель должен был спроектировать и разработать новую газовую турбину со значительно измененными характеристиками, время, которое потребуются от начальной концептуальной фазы до производственных
стадий, как правило, потребуется около десяти лет [7]. Более реальный и менее трудоемкий подход состоит в том, чтобы частично усовершенствовать ранее существовавшие конструкции за счет внедрения циклов промежуточного охлаждения, рекуперации и повторного нагрева к системе. Пример такого подхода продемонстрировали Northrop Grumman Marine Systems и Rolls-Royce в 1991 году через свой морской газотурбинный двигатель (ГТД) WR-21, где были и промежуточный охладитель, и рекуператорные устройства, использующиеся для улучшения термогазодинамических характеристик системы и, следовательно, повышения КПД двигателя [8]. Более того, поскольку эти устройства (т.е. подогреватель, промежуточный охладитель и рекуператор) являются вариантами теплообменных аппаратов (ТА), их можно найти в различных конструктивных исполнениях, таких как пластинчатые ТА, пластинчато-ребристые, рамно-пластинчатых ТА и кожухо-трубчатые; схемы потока (например, противоток, параллельный поток, и перекрестный поток); и проходные устройства (т.е. многоходовые и однопроходные) [9-11]. Многие подходы были использованы учеными и проектировщиками для повышения тепловой эффективности различного оборудования [12-14].
Один из способов повышения энергоэффективности циклов газотурбинных установок (ГТУ) является применение сложных циклов, например, промежуточного охлаждения воздуха в специальных теплообменных аппаратах – воздухоохладителях [15]. При этом снижаются затраты мощности на привод компрессора, и соответственно к повышению мощности двигателя для привода нагнетателя природного газа. Охлаждающей средой может быть атмосферный воздух. При охлаждении атмосферным воздухом и циркуляционной водой теплота, отведенная от сжимаемой среды, в основном бесполезно теряется (сбрасывается) непосредственно в атмосферу или через системы оборотного охлаждения. Рациональнее отводить теплоту от охлаждаемого воздуха посредством нагрева сетевой воды, и далее использовать ее на технологические или бытовые нужды, например, на горячее
водоснабжение, что еще больше повышает эффективность использования теплоты в цикле и утилизации сбросной теплоты [16, 17].
Применение промежуточного охлаждения в процессе сжатия воздуха позволит отказаться от регулирования проходных сечений лопаточных аппаратов. Возможность создания газотурбинного двигателя без поворотных лопаток направляющих и сопловых аппаратов компрессоров и турбин существенно упрощает и удешевляет конструкцию, изготовление и эксплуатацию [18].
Целью данной работы является проведение глубокой модернизации стационарной газотурбинной установки ДГ-90 путем последующих действий: удаление последних двух ступеней, образованных рядом рабочих лопаток и спрямляющих аппаратов, и переходника компрессора низкого давления и установки промежуточного воздухоохладителя, модернизации лопаток турбомашины аналога турбины газотурбинной установки ДУ-80.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработать методику расчета и программу на языке программирования Python для автоматического расчета термогазодинамических параметров газотурбинного двигателя со встроенным воздухоохладителем. Сравнить полученные результаты с реальными параметрами, снятыми со стенда цеха №35 ПАО «Тюменские моторостроители».
2. Проанализировать влияние повышения температуры перед турбиной высокого давления после ее замены на показатели газотурбинного двигателя.
3. Разработать методику расчета и программу автоматического расчета выходных параметров промежуточного воздухоохладителя с учетом конструктивных (габаритных) ограничений и заданных потерь давления.
4. В результате проектировочных расчетов проанализировать влияние работы промежуточного воздухоохладителя на термогазодинамическую эффективность работы газоперекачивающего аппарата.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Добыча природного и попутного нефтяного газа / Министерство энергетики РФ: [сайт].
2. Крюков О.В. Энергосбережение и автоматизация электрооборудования компрессорных станций. Н. Новгород: Вектор ТиС, 2010. 559 с.
3. Васильев А.И., Коваль В.А. Особенности прогнозирования стоимости жизненного цикла газотурбинных двигателей и установок, Харьков: Контраст, 2017. 376 с.
4. Кокуева Ж.М. Проект от идеи до воплощения: вопросы управления. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 153 с.
5. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок: учебник для студентов энергетических и авиационных вузов / Арбеков А. Н., Вараксин А. Ю., Иванов В. Л. [и др.]. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 678 с.
6. Безюков О.К., Жуков В.А., Капустянский М.С. Газотурбинные двигатели на флоте: история и перспективы // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2021. Т. 13. № 2. С. 244-256.
7. Bhargava R.K., Bianchi M., Peretto A., Spina P.R. A Feasibility Study of Existing Gas Turbines for Recuperated, Intercooled, and Reheat Cycle // J. Eng. Gas Turbines Power. 2004. Vol. 126(3). Рр. 531-544.
8. Shepard S.B., Bowen T.L., Chiprich J.M. Design and development of the WR-21 intercooled recuperated (ICR) marine gas turbine // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1995. Vol. 117. № 3. Pp. 557-562.
9. Almurtaji S., Ali N., Teixeira J.A., Addali A. On the Role of Nanofluids in Thermal-hydraulic Performance of Heat Exchangers // A Review. Nanomaterials. 2020. Vol. 10(4). Art. 734. 43 p.
10. Сахин В.В. Устройство и действие энергетических установок: учебное пособие. Книга 1: Поршневые машины. Паровые турбины. СПб.: БГТУ
«Военмех» им. Д.Ф. Устинова, 2015. 172 с.
11. Филиппов Н.С. Конфигурации газовых турбин с применением промежуточных теплообменников и характеристики их циклов // Молодежный научный вестник. 2017. № 15. С. 303-310.
12. Газотурбинные установки для транспорта газа: учебное пособие / Коньков А.Ю, Тимошенко Д.В. Министерство образования и науки Российской Федерации, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тихоокеанский гос. университет». Хабаровск: Изд-во ТОГУ, 2016. 151 с.
13. Михальцев В.Е., Панков О.М., Юношев В.Д. Регулирование и вспомогательные системы газотурбинных и комбинированных установок. М.: Машиностроение, 1982. 95 с.
14. Моляков В.Д., Осипов М.И., Тумашев Р.З. Повышение эффективности режимов работы газотурбинного двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2006. № 3. С. 80-95.
15. Тумашев Р.З., Моляков В.Д., Лаврентьев Ю.Л. Повышение эффективности компрессорных станций магистральных газопроводов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2014. № 1. С. 68-79.
16. Теплообменники энергетических установок / К.Э. Аронсон, С.Н. Блинков, В.И. Брезгин В.И. [и др.]. Екатеринбург: «Сократ», 2002. 968 с.
17. Утилизация теплоты приводных газотурбинных установок / Юращик И.Л., Глущенко Л.Ф., Маторин A.C., Бадамян A.A. Киев: Техника, 1991. 220 с.
18. Моляков В.Д., Тумашев Р.З. Обоснование схем и параметров высокоэффективных газотурбинных установок для малой энергетики // Известия вузов. Машиностроение. 2012. № 6. С. 48-57.
19. Земенкова Ю.Д. Устройство и эксплуатация газотурбинных установок: учебное пособие. Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. 434 с.
20. Г90108200 ТО. Двигатель ДГ-90 (модификации ДГ90П1, ДГ90Л2) техническое описание. Машпроект, 1993. 62 с.
21. Wu C. Thermodynamics and heat powered cycles: a cognitive engineering approach. New York: Nova Publishers, 2007. 659 p.
22. Sheikhbeigi B., Ghofrani M. B. Thermodynamic and environmental consideration of advanced gas turbine cycles with reheat and recuperator //International Journal of Environmental Science & Technology. 2007. Vol. 4. No. 2. Pр. 253-262.
23. Khaliq A., Kaushik S.C. Thermodynamic performance evaluation of combustion gas turbine cogeneration system with reheat // Applied thermal engineering. 2004. Vol. 24. No. 13. Pр. 1785-1795.
24. Ibrahim T.K., Rahman M.M. Effect of compression ratio on performance of combined cycle gas turbine // International journal of energy engineering. 2012. Vol. 2. No. 1. Pр. 9-14.
25. Thamir K.I., Ahmed N.A. Improvement of gas turbine performance based on inlet air cooling systems: A technical review // International journal of physical sciences. 2011. Vol. 6. No. 4. Pр. 620-627.
26. Virgen M.M. Power and efficiency analysis of a solar central receiver combined cycle plant with a Small Particle Heat Exchanger Receiver: Ph.D. Thesis. San Diego State University, 2016. 102 p.
27. Andriani R., Ghezzi U. Thermodynamic Study of Intercooled and Regenerated Turbofan Engine // Proccedings of the 3rd European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). 2009. Pр. 1-8.
28. Bannister R.L. [et al.] Development Requirements for an Advanced Gas Turbine System // ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1995. Vol. 117. Pp. 724-733.
29. Briesch M.S., Bannister R.L., Diakunchak I.S., Huber D.J. A Combined Cycle Designed to Achieve Greater than 60 Percent Efficiency // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power. 1995. 117. Pp. 734–741.
30. Saravanamuttoo H.I.H., Rogers G.F.C., Cohen H. Gas turbine theory. London: 6th Edition, Pearson education, 2001. 491 p.
31. Wilson D.G., Korakianitis T. The design of high-efficiency turbomachinery and gas turbines, with a new preface. Cambridge: MIT press, 2014. 624 p.
32. Boyce M.P. Gas turbine engineering handbook. Elsevier, 2011. 799 p.
33. Kim J.H., Kim T.S., Ro S.T. Analysis of the dynamic behaviour of regenerative gas turbines // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy. 2001. Vol. 215. No. 3. Pp. 339-346.
34. Ahmadi P., Dincer I. Thermodynamic and exergoenvironmental analyses, and multi-objective optimization of a gas turbine power plant // Applied Thermal Engineering. 2011. Vol. 31. No. 14-15. Pр. 2529-2540.
35. Gurrappa I., Rao A.S. Thermal barrier coatings for enhanced efficiency of gas turbine engines // Surface and Coatings Technology. 2006. Vol. 201. No. 6. Pp. 3016-3029.
36. Poullikkas A. An overview of current and future sustainable gas turbine technologies // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2005. Vol. 9. No. 5. Pр. 409-443.
37. Brooks F.J. GE gas turbine performance characteristics // New York: GE Power Systems, 2000. 400 p.
38. Horlock J.H. Advanced gas turbine cycles: a brief review of power generation thermodynamics // Elsevier Science Ltd. 2003. 230 p.
39. Razak A.M.Y. Industrial gas turbines: performance and operability. Elsevier, 2007. 624 p.
40. Min J.K. High temperature heat exchanger studies for applications to gas turbines // Heat and mass transfer. 2009. Vol. 46. No. 2. Pр. 175-186.
41. Sunden B. High temperature heat exchangers (HTHE) // Proceedings of the 5th International Conference on Science, Engineering and Technology. 2005. Pp. 226- 238.
42. Saidi A., Sunden B., Eriksson D. Intercoolers in gas turbine systems and combi-processes for production of electricity // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. American Society of Mechanical Engineers. 2000. Vol. 7. Art. V003T01A042.
43. Омар Х.Х.О., Кузьмичев В.С., Ткаченко А.Ю. Повышение эффективности авиационных двухконтурных турбореактивных двигателей за счёт применения интеркулера и рекуператора // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2020. Т. 19. № 3. С. 85-99.
44. Комаров Е.М., Кокуева Ж.М. Повышение эффективности газоперекачивающих агрегатов: проблемы и решения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». 2019. № 5(128). С. 104-118.
45. Крюков О.В. Энергоэффективность электроприводных газоперекачивающих агрегатов // Электротехнические системы и комплексы. 2015. № 1(26). С. 10-15.
46. Беденьгов И.В., Мингалеева Г.Р. Разработка теплообменника- регенератора для газотурбинных установок // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. Т. 11. № 2(42). С. 39-46.
47. Иванов В.Л., Щеголев Н.Л., Скибин Д.А. Повышение эффективности двухконтурного турбовентиляторного двигателя введением промежуточного охлаждения при сжатии // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 11(656). С. 75-83.
48. Walker G. Industrial heat exchangers: a basic guide. London: Hemisphere Publishing Corporation, 1982. 408 p.
49. Jeong J.H. Review of heat exchanger studies for high-efficiency gas turbines // Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2007. Vol. 47934. Pр. 833-840.
50. Bhargava R. A feasibility study of existing gas turbines for recuperated, intercooled, and reheat cycle // J. Eng. Gas Turbines Power. 2004. Vol. 126. No. 3. Pр. 531-544.
51. Шабаев В.М., Кульчихин В.Г., Гагарин И.В. Леонтьев М.К. Испытания и диагностика газотурбинных двигателей на стенде. Тюмень: ОАО
«Газтурбосервис», газотурбинные технологии, 2004. Т. 4. С. 2-7.
52. Г90108100 ПМ. Программа-методика испытаний серийных изделий ДГ90П1, ДГ90Л2. Жаки, 2002.
53. Белов М.С. Термогазодинамическая диагностика трехвальных приводных газотурбинных двигателей: специальность 01.04.14 Теплофизика и теоретическая теплотехника: дис. канд. техн. наук. Тюмень, 2010. 128 с.
54. Шабаров А.Б., Ширшова А.В., Сагайдачный Д.Е. Термодинамический расчет и параметры энергетических газопаротурбинных установок на природном газе и газогидратном топливе // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2017. Т. 3. №. 1. С. 22-36.
55. Белов М.С., Шабаров А.Б. Параметрическая диагностика газотурбинных двигателей. Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. 39 с.
56. Физические свойства наиболее известных химических веществ: Справочное пособие. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. 24 c.