CC BY
40
УДК 621.165
А.В. РУСАНОВ, А.И. КОСЬЯНОВА, Д.Ю. КОСЬЯНОВ
Институт проблем машиностроения им. A.H. Подгорного HAH Украины, Харьков, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКА В РЕГУЛИРУЮЩЕМ ОТСЕКЕ ЦВД ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ К-325-23,5
Представлены результаты численного исследования пространственного вязкого турбулентного течения пара в отсеке проточной части цилиндра высокого давления паровой турбины К-325-23,5, состоящем из регулирующей ступени и уравнительной камеры, на номинальном режиме работы турбины. Показано неравномерное распределение нагрузки в рабочем колесе регулирующей ступени. Выполнена оценка неравномерности полного давления, температуры и тангенциального угла в абсолютном движении в различных сечениях уравнительной камеры. Приведено значение потерь полного давления в камере.
Ключевые слова: проточная часть, трехмерное вязкое течение, регулирующая ступень, уравнительная камера.
Введение
По прогнозным данным доля тепловой энергетики Украины в общем объеме производства электроэнергии на период до 2030 года составит около 40% [1]. Анализ состояния ТЭС показывает, что существует необходимость замены или модернизации большей части энергоблоков. Для этих целей может быть использована разработанная предприятием ВАТ «Турбоатом» паровая турбина К-325-23,5, регулирование мощности которой выполняется с помощью соплового парораспределения. Дальнейшее повышение эффективности этой турбины возможно за счет совершенствования отсека, состоящего из регулирующей ступени и первой ступени давления [2].
При работе регулирующей ступени возникает существенная окружная неравномерность потока, влияние которой распространяется на эффективность последующей ступени и цилиндра высокого давления (ЦВД) в целом [3].
Для определения направлений газодинамического совершенствования отсека регулирующей ступени необходимо изучение пространственной структуры турбулентного потока [3—5], в том числе с использованием методов математического моделирования [6].
В статье представлены результаты численного исследования трехмерного течения пара в отсеке регулирующей ступени на номинальном режиме работы турбины, а также определена степень неравномерности потока в ней. Определены потери полного давления в уравнительной камере. Показано, что даже для номинального режима работы существует значительная неравномерность нагруженности рабочего колеса регулирующей ступени. Выполнена оценка степени неравномерности потока в различных сечениях уравнительной камеры.
© А.В. Русанов, А.И. Косьянова, Д.Ю. Косьянов, 2014
1. Объект исследования. Методика проведения численного эксперимента
В качестве объекта исследования рассмотрен отсек ЦВД паровой турбины К-325-23,5, состоящий из регулирующей ступени (НА1, РК1), уравнительной камеры и первой ступени давления (НА2, РК2), описание которых представлено в работе [2] (рис. 1, 2).
Рис. 1. Исследуемая проточная часть: 1 — меридиональное сечение; 2 — НА регулирующей ступени; 3 — РК регулирующей ступени; 4 — НА первой ступени давления; 5 — РК первой ступени давления
Рис. 2. Пространственный вид расчетной области
Основные геометрические характеристики ступеней приведены в табл. 1. Для регулирования режима работы используется парциальный подвод пара через 4 одинаковые сопловые коробки, расположенные перед первой ступенью ЦВД (рис. 3). На номинальном режиме работы пар подается через все коробки, что соответствует режиму с парциальностью £ = 0.8. Учитывая периодичность по геометрическим и режимным параметрам в первой ступени, выполнено упрощение задачи. В результате расчетная область составлена из каналов одной сопловой коробки (13 открытых каналов, соответствующих парциальности 0.2, и закрытая часть), а также 18 каналов РК1. Для более
корректного моделирования распределения параметров в камере смешения дополнительно учтена вторая ступень (по одному каналу НА2 и РК2).
Рис. 3. Схема подвода пара
Таблица 1
Геометрические характеристики ступеней ЦВД паровой турбины
Параметр НА1 РК1 НА2 РК2
l/b (на Dcp) 0,4681) 0,577 0,4911) 0,977
Dcp, м 1,182 1,183 0,8645 0,8675
t/b (на Dcp) 0,8931) 0,894 0,7321) 0,885
D/l 39,4 35,8 27,4 25,9
Z, шт. 522) 72 58 90
а1эф> в2эф (на Dcp)' гРадУс 9,85 16,97 12,68 19,7
1) Рассчитано по величине хорды «исходного» профиля (b = 64,1 мм).
2) Степень парциальности 0,8.
Численное исследование проведено с помощью математической модели трехмерного турбулентного течения пара, которая обладает необходимой достоверностью получаемых результатов, как по качественной структуре потока, так и по количественной оценке аэродинамических характеристик проточных частей турбомашин [6—8].
Расчеты выполнены с использованием уравнения состояния совершенного газа на сетке с суммарным числом 8,73 млн ячеек при условиях, соответствующих номинальному режиму работы турбины: частота вращения ротора — 3000 об/мин; полная температура на входе — 535,809 °С; полное давление на входе
— 22,82 МПа; статическое давление на выходе
- 18,783 МПа.
При моделировании нестационарного течения пара в первой ступени учитывается взаимное положение НА1 и РК1 в каждый момент времени. Передача параметров пара между первой и второй ступенью происходит в области перед НА2 и основана на процедуре осреднения в окружном направлении, что соответствует квазистационарной постановке задачи для второй ступени.
2. Численные результаты
На рис. 4, 5 и 6 представлены распределения в окружном направлении полного давления Р* и температуры Т*, а также тангенциального угла а в абсолютном движении в сечениях уравнительной камеры, отличающихся удалением от выходной кромки РК1 (в процентах ширины рабочего колеса).
Все значения соответствуют фиксированному моменту времени. Видно, что след от закрытой части клапанной коробки наиболее проявляется в диапазоне 50 ° - 90 ° в сечении 14,4% уравнительной камеры (рис. 4-6).
По мере продвижения вниз по потоку окружная неравномерность уменьшается. На рис. 7 и 8 представлено изменение параметров потока по длине уравнительной камеры. Потери полного давления на данном участке определяются по формуле [3]:
Р* — р* Р
1!Х
где Р^, ^вых — значения на выходе из РК1 (сечение 14,4%) и на входе в НА2 (слой 838,5%), осредненные по расходу, МПа.
Р*. МПа 19,4
19,3
19,2
19,1
19,0
18,9
13,6
градус
10 20 30 40 50 60
70
80 90
--- 14,4%;--221,7%;-396,14%; -□- 610,4%; - ■- 838,5%
Рис. 4. Распределение Р* в окружном направлении
т*. к
792,0 790,0 788,0 786,0 784,0 782,0 780,0 778,0 776,0
10 20 30 40 50 60 70 60
90
--- 14,4%;--221,7%;-396,14%; -□- 610,4%; -■- 838,5%
Рис. 5. Распределение Т* в окружном направлении
--- 14,4%;--221,7%;-396,14%; -□- 610,4%; -■- 838,5%
Рис. 6. Распределение а в окружном направлении
Локальные максимумы мгновенных потерь камере. Средний угол натекания на НА2 со-полного давления (рис. 7) связаны с нестацио- впадает с углом, формируемым перед входом в нарными процессами в РК1 и уравнительной уравнительную камеру (рис. 8).
Рис. 7. Распределение Р* по длине уравнительной камеры
,градус
200
400
600
800
Рис. 8. Распределение а по длине уравнительной камеры
На рис. 9 и 10 сплошной линией изображены распределения Р* по высоте канала в сечениях на входе и выходе уравнительной камеры, построенные по осредненным в окружном направлении данным. Также отмечены диапазоны отклонения от среднего значения в представленных сечениях.
Из рис. 10 видно влияние конфузорности канала перед НА2 на выравнивание распределения Р* по высоте. Максимальные отклонения от среднего значения сосредоточены в прикорневой области.
Рис. 9. Распределение Р* по высоте за РК1
р*,
19,35 19,30 19,25 19,20 19,15 19,10 19,05 19,00 18,95 18,90 18,85 18,80 18,75
МПа
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Рис. 10. Распределение Р* по высоте перед НА2
На рис. 11 представлена неравномерность в окружном направлении нагруженности РК регулирующей ступени и распределения расходной компоненты скорости за ним.
Прослеживается корреляция рассмотренных величин. Влияние зоны неактивной части НА1 распространяется на 5—6 каналов РК1 и сопровождается существенными вторичными течениями (рис. 12).
Уа, м/с 60,0
N. МВт
-Г 60,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
П — расходная компонента скорости; ■ — мощность Рис. 11. Неравномерность нагруженности РК1
Канал
Рис. 12. Векторы скорости в среднем сечении канала РК регулирующей ступени
В таблице 2 приведены коэффициенты неравности полного давления, полной температуры и тангенциального угла в абсолютном движении, определяемые из соотношения
фр = Гтах~р11 ^тах Рщт
■100% ,
max, Fmax — максимальное и минимальное
где Б,
значения величины Б в заданном сечении.
Неравномерность полного давления и температуры в абсолютном движении значительно уменьшается (до трех раз) по сравнению со значениями за РК1. Наибольшее влияние уравнительной камеры наблюдается на распределение тангенциального угла в абсолютном движении (до шести раз).
Таблица 2
Коэс фициенты неравномерности
Слой, % ширины РК1 ФР* Фт* Ф а
14,41 1,195 0,799 33,045
110,88 0,797 0,574 14,311
221,68 0,703 0,409 12,608
307,62 0,685 0,326 14,864
396,14 0,533 0,220 11,157
512,83 0,368 0,196 8,562
610,44 0,369 0,197 6,745
708,76 0,409 0,220 5,655
787,26 0,438 0,254 5,932
838,48 0,425 0,258 5,020
Заключение
Проведенные исследования показали наличие окружной неравномерности в распре-
делениях параметров потока в регулирующей ступени и уравнительной камере, а также неравномерность нагруженности РК1 на номинальном режиме работы. При прохождении
камеры коэффициент неравномерности для полного давления и температуры в абсолютном движении значительно уменьшается (до трех раз), а для тангенциального угла — до шести раз. В дальнейших работах планируется исследование структуры потока на режимах работы, соответствующих меньшим значениям пар-циальности, а также возможных способов совершенствования конструктивных элементов, обеспечивающих парциальный подвод пара.
Литература
1. Енергетична стратепя Украши на перюд до 2030 року [Електронний ресурс] / КМ Украши. — 2006. — 166 с. — Режим доступу: http://eircenter.com/ua-analitika/energetichna-strategiya-ukrayini-na-period-do-2030-r-proekt.
2. Русанов А.В. Повышение эффективности работы 2-й ступени ЦВД турбины К-325-23,5 при нерасчетных углах обтекания потока [Текст] / А.В. Русанов, Е.В. Левченко, В.Л. Швецов, А.И. Косьянова // Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование. — 2010.
- №3. - С. 12-18.
3. Численное исследование эффективности уравнительной камеры за регулирующей ступенью на разных режимах работы / Бойко А. В., Усатый А. П., Авдеева Е. П. // Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование.
- 2014. - №1(1044). - С. 6-11.
4. Оценка влияния межвенцового зазора на эффективность регулирующей ступени на переменном режиме / Бойко А. В., Говору-щенко Ю. Н., Усатый А. П., Авдеева Е. П. // Энергетические и теплотехнические процессы и оборудование. — 2012. — №7. — С. 49-53.
5. Фичоряк О.М. Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин: автореф. дис. на соискание учен. степени канд. техн. наук: спец. 05.04.12 «Турбомашины и комбинированные турбоустановки» / Фичоряк Ольга Михайловна; Московский энергетический институт (ТУ). — Москва, 2007. — 20 с.
6. Русанов А.В. Математическое моделирование нестационарных газодинамических процессов в проточных частях турбомашин [Текст]: моногр. / А.В. Русанов, С.В. Ершов. — X.: ИПМаш НАН Украины, 2008. - 275 с.
7. А. с. Комплекс програм розрахунку тривимрних течш газу в багатовшцевих турбома-шинах «FlowER» / С.В. бршов, А.В. Русанов; Дер-жавне агентство Украши з авторських та сумжних прав. - ПА №77; опубл. 19.02.96. - 1 с.
8. Lampart P. Validation of turbomachinery flow solver on turbomachinery test cases [Text] / P. Lampart, S. Yershov, A. Rusanov // International conference SYMK0M'02. Turbomachinery, Poli-technika Lodzka, Lodz, Poland. — 2002, No. 122. - P. 63-70.
Поступила в редакцию 12.06.2014
A.B. Русанов, А. I. Косьянова, Д.Ю. Косьянов. Дослщження структури потоку в регулюючому вщсжу ЦВТ парово! турбши К-325-23,5
Представлено результаты чисельного досл^дження npocmopoeoi в'язког турбулентноi течи в проточнш частит eidciKy npomoчнoi частини ЦВТ nаpoвoi турбти К-325-23,5, що складаеться з регулюючого ступеня та виpiвнюючoi камери, на номтальному pежимi роботи турбти. Наведено неpiвнoмipний розподы навантажень в робочому колеа регулюючого ступеня. Виконано оцтювання неpiвнoмipнocmi повного тиску, температури та тангенщального кута в абсолютному руЫ в piзниx nеpеpiзаx виpiвнюючoi камери. Отримано piвень втрат повного тиску вздовж камери.
Ключов1 слова: проточна частина , mpивимipна в 'язка mечiя, регулюючий ступтъ, виpiвнююча камера.
A.V. Rusanov, A.I. Kosianova, D.Yu. Kosianov. Research of stream flow structure in regulative compartment of the HPC of steam turbine К-325-23,5
The results of numerical research of spatial viscous turbulent flow in flow part of the control stage and equalizing chamber of the high-pressure cylinder of steam turbine K-325-23,5 on nominal operating mode are presented. The estimation of the non-uniformity of total pressure, temperature and tangential angle in absolute motion in different sections of the equalizing chamber is shown. The distribution of non-uniform load in the impeller of control stage is shown. Value of the total pressure losses in the chamber is presented.
Key words: flow part, three-dimensional viscous flow, the control stage, equalizing chamber.
