ОмГУПС, тепловые двигатели и нагнетатели (курсовая работа)

Перед выполнением курсовой работы необходимо детально изучить процессы, происходящие в двигателях, выяснить, какое влияние может оказать тот или иной фактор на рабочий процесс, какие параметры существенно влияют на КПД и эффективность установки с тепловым двигателем.

В курсовой работе необходимо выполнить расчет устройств, их элементов и основных процессов, изучаемых в курсе «Тепловые двигатели и нагнетатели»: активной части одновальной паровой турбины и термодинамического цикла одновального газотурбинного двигателя с регенерацией тепла, четырехтактного дизельного двигателя внутреннего сгорания с наддувом.

Паровая турбина является основным типом двигателя, который применяется на современных тепловых электростанциях, кораблях военного и гражданского флота и для привода различных машин.

Газовая турбина нашла применение на газоперекачивающих станциях, транспорте, на ТЭЦ преимущественно как пиковый агрегат, работающий в течение года относительно малое время.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – тепловой двигатель, рабочим телом которого являются продукты сгорания топлива.

Выполнение курсовой работы поможет студентам разобраться в достигаемых эксплуатационных показателях и особенностях рабочего процесса тепловых двигателей. Полученные знания будут полезны при разработке и эксплуатации энергетических установок на основе тепловых двигателей.

Исходные данные к заданиям курсовой работы студенты всех видов обучения принимают по двум последним цифрам шифра своей зачетной книжки/студенческого билета. Например, для номера зачётной книжки 20112ИЭТСЭ номер варианта «12», для номера зачётной книжки ДВПТ193606 номер варианта «06».

Выполнению курсовой работы должно предшествовать тщательное изучение теоретического материала дисциплины «Тепловые двигатели и нагнетатели».

При использовании таблиц, номограмм, эмпирических формул и другого справочного материала необходимо в тексте пояснительной записки делать ссылки на литературные источники. Обозначения величин и терминология в пояснительной записке, которая выполняется на бумаге формата А4, должны соответствовать принятым в учебниках, стандартах ЕСКД и СПДС, а также СТП ОмГУПСа. Решения должны сопровождаться схемами и графиками, тщательно выполненными и приложенными к пояснительной записке.

При выполнении курсовой работы студенты очной формы обучения письменно отвечают на контрольные вопросы, которые выдаются преподавателем для подготовки к защите курсовой работы.

Студенты заочной формы обучения отвечают на контрольные вопросы по каждому из разделов письменно согласно индивидуальному шифру по табл. 2.3, 6.3 и 8.4 и включают эти таблицы в состав пояснительной записки.

ЗАДАНИЕ ПО РАЗДЕЛУ «ПАРОВЫЕ ТУРБИНЫ»

Произвести тепловой расчет одноступенчатой паровой турбины.

Выбрать исходные данные: начальные параметры пара и давление пара при выпуске – из табл. 2.1; номинальную мощность, частоту вращения вала турбины, отношение U/С₁ = x и механический КПД турбины – из табл. 2.2.

Ответить на контрольные вопросы согласно своему варианту (табл. 2.3).

Т а б л и ц а 2.1

Исходные данные по вариантам заданий

Т а б л и ц а 2.2

Исходные данные заданий по вариантам

Т а б л и ц а 2.3

Варианты контрольных вопросов

Контрольные вопросы

1) Что такое степень реактивности ступени? Как она изменяется по высоте лопатки турбины?

2) Как определяется выходная высота лопатки рабочего колеса и от каких параметров она зависит?

3) Каково оптимальное отношение U/С₁ для активной и реактивной ступеней?

4) Как преобразуются различные виды энергии потока пара при прохождении через турбинную ступень?

5) Каково влияние влажности пара на потери энергии в турбинной ступени?

6) В чём заключается физический смысл степени парциальности ступени? Возможно ли достижение значения степени парциальности, равного единице?

7) Как и для чего определяют секундный расход пара, проходящего через турбину?

8) Что такое КПД ступени на окружности и какие потери он учитывает?

9) Что такое внутренний и эффективный КПД ступени?

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ

Тепловой расчет паровой турбины выполняется в следующем порядке.

1) Расчет скорости истечения пара из сопла.

2) Построение треугольников скоростей пара.

3) Определение КПД турбины на окружности колеса по треугольникам скоростей пара.

4) Вычисление составных частей теплового баланса и соответствующего КПД турбины.

5) Определение КПД турбины на окружности колеса по балансу потерь.

6) Построение hsдиаграммы теплового процесса.

7) Расчет проточной части.

8) Вычисление потерь на трение и вентиляцию, относительного внутреннего КПД и эффективного КПД турбины.

9) Расчет действительной мощности на валу турбины.

10) Чертеж проточной части в масштабе.

ЗАДАНИЕ ПО РАЗДЕЛУ «ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ»

В состав раздела входит термодинамический расчет цикла одновального газотурбинного двигателя с регенерацией тепла уходящих из турбины газов.

В качестве независимой переменной расчета выбирается степень повышения давления в компрессоре (π_к). Для ряда последовательных значений π_к = 2, 4, 6, 8, 10, 12 (студентом может быть выбран шаг степени повышения давления менее двух) вычисляются все характеристики цикла. Предельное в этом ряде значение π_к выбирается таким, чтобы оно соответствовало области, лежащей за максимальным значением КПД цикла. Данные расчета заносятся в таблицу результатов расчета, а затем строятся графики зависимости основных параметров и характеристик цикла от π_к: T₅ = f(π_к), η_m = f(π_к), λ = f(π_к), ε = f(π_к), η_e = f(π_к).

Основные исходные данные для расчета представлены в табл. 5.1, а степень регенерации и гидравлические потери по воздушному и газовому трактам – в табл. 5.2.

Ответить на контрольные вопросы согласно своему варианту, определенному по табл. 5.3.

Т а б л и ц а 5.1

Исходные данные заданий по вариантам

Т а б л и ц а 5.2

Исходные данные заданий по вариантам

Т а б л и ц а 5.3

Варианты контрольных вопросов

Контрольные вопросы

1) Что такое КПД газотурбинного двигателя и удельная работа?

2) Что такое регенерация тепла в газотурбинных двигателях?

3) В чем заключается смысл многовальных схем газотурбинных двигателей?

4) Какова роль охлаждения воздуха между ступенями сжатия и промежуточного подвода тепла между ступенями расширения газа?

5) Почему в газотурбинной установке (ГТУ) в качестве топлива не может использоваться газ низкого давления (до 0,005 МПа)?

6) Что такое замкнутый цикл ГТУ и каковы его особенности?

7) Вследствие чего степень расширения газов в турбине ниже, чем степень сжатия в компрессоре?

8) Почему воздух подается в регенератор после выхода из компрессора, а не перед входом в него?

9) Почему при больших значениях степени повышения давления снижается полезная работа цикла ГТУ?

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА

Тепловой расчет двигателя выполняется в следующем порядке.

1) Вычисляются значения давления и температуры в основных точках процесса: перед компрессором, после компрессора / перед регенератором, после регенератора / перед камерой сгорания, после камеры сгорания / перед газовой турбиной, после газовой турбины / перед регенератором по газовой стороне, после регенератора по газовой стороне / перед выхлопом в атмосферу.

2) Определяются характеристики цикла ГТУ: характеристика сети газотурбинной установки, приведенный относительный КПД газотурбинной установки, соотношение абсолютной температуры в конце и в начале адиабатного сжатия в компрессоре, соотношение мощностей компрессора и газовой турбины, характеристический температурный комплекс, эффективнотермодинамический КПД цикла, удельная эффективная работа 1 кг воздуха.

3) Выбирается оптимальный режим (значение π_к) по критерию максимального эффективнотермодинамического КПД. Для оптимального режима вычисляется расход воздуха и топлива.

4) Выполняется схема газотурбинной установки (рис. 7.1) с указанием на ней параметров воздуха и дымовых газов: давления, температуры, расхода воздуха и топлива для оптимального режима.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ЦИКЛА ОДНОВАЛЬНОГО ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА

ЗАДАНИЕ ПО РАЗДЕЛУ «ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ»

Произвести тепловой расчет четырехтактного дизельного двигателя внутреннего сгорания (высокого сжатия) с наддувом. Исходные данные взять из табл. 8.1 и 8.2.

В соответствии с заданным давлением наддува (табл. 8.3), пользуясь данными табл. 8.1, выбрать тип компрессора и метод наддува (в четырехтактных двигателях при давлении наддува больше 0,135 МПа обычно применяется газотурбинный наддув).

Ответить на контрольные вопросы согласно своему варианту, определенному по табл. 8.4.

Т а б л и ц а 8.1 Данные для выбора типа компрессора и давления наддува

Т а б л и ц а 8.2

Исходные данные заданий по вариантам

Т а б л и ц а 8.3

Данные для выбора давления наддува

Т а б л и ц а 8.4

Варианты контрольных вопросов

Контрольные вопросы

1) Что понимается под индикаторной и эффективной мощностью ДВС?

2) В чем состоит физический смысл коэффициента полноты диаграммы?

3) Почему значение показателя степени процесса сжатия n₁ должно быть больше, чем показатель степени процесса расширения n₂?

4) Для чего применяется наддув в ДВС? Какие схемы наддува применяются?

5) Что называется коэффициентом наполнения ДВС?

6) Что называется коэффициентом молекулярного изменения?

7) Что называется коэффициентом остаточных газов?

8) Что понимается под средним индикаторным давлением? От чего зависит его значение?

9) Что такое коэффициент избытка воздуха? Какие значения он имеет для различных ДВС?

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ

Тепловой расчет двигателя выполняется в следующем порядке.

1) Составляется материальный баланс – подсчитывается объем газов в основных точках расчетного цикла с приведением к нормальным условиям и определяются параметры начальной точки рабочего цикла (конец впуска или начало сжатия).

2) Рассчитывается процесс сжатия.

3) Рассчитывается процесс сгорания.

4) Рассчитывается процесс расширения.

5) Определяется среднее индикаторное давление.

6) Определяется индикаторная и эффективная мощности двигателя, расхода топлива и КПД.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ

1. Материальный баланс и параметры начальной точки

Выбирается массовый состав топлива по данным табл. 10.1.

Т а б л и ц а 10.1

Данные для выбора состава топлива

2. Процесс сжатия

Выбирается показатель политропы сжатия n₁ по данным табл. 10.3.

Т а б л и ц а 10.3 Данные для выбора показателя политропы сжатия

Вычисляется температура конца сжатия, К

Определяется давление конца сжатия, МПа

3. Процесс сгорания

4. Процесс расширения

5. Среднее индикаторное давление

6. Определение индикаторной и эффективной мощности двигателя, расхода топлива, КПД

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе выполняются расчеты трех видов распространенных и часто используемых в народном хозяйстве типов тепловых двигателей. Несмотря на различия в принципе действия и используемом рабочем теле все три типа двигателей позволяют получить на выходе механическую работу, в этом и заключается их основное назначение.

Выбор типа теплового двигателя осуществляется на основании техникоэкономического расчета, в котором необходимо учитывать условия эксплуатации и наличие соответствующего топлива, особенности климата региона, где предполагается использовать данный тип теплового двигателя.

По данным исследований при мощности электростанции до 6000 – 10000 кВт себестоимость 1 кВт · ч газотурбинной установки меньше, чем паротурбинной. Стоимость газотурбинных установок на единицу мощности по сравнению со стоимостью паротурбинных примерно в два раза меньше, потребность в обслуживающем персонале – в 1,5 – 2 раза меньше. Объем помещений на 1 кВт полезной мощности газотурбинной установки в 3,5 – 5 раз меньше, чем объем помещений паротурбинной.

В сравнении с двигателями внутреннего сгорания газовые турбины имеют следующие преимущества:

– меньшие размер и вес;

– использование более дешевого газообразного и тяжелого жидкого топлива (в перспективе – возможность широкого применения твердого топлива);

– отсутствие поступательно движущихся частей;

– полное расширение газообразных продуктов сгорания.

Дальнейшие успехи металлургии по увеличению жаропрочности и уменьшению ползучести материалов для проточной части газовых турбин могут обеспечить применение такой высокой температуры газа, что разница в экономичности газовой турбины по сравнению с двигателем внутреннего сгорания станет значительно меньше или вообще ее не будет.