CC BY
9УДК621.039: 621.311:697
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФРИКЦИОННО-ВИХРЕВЫХ ТУРБИН С ДИСКОВЫМ РОТОРОМ В КОМБИНИРОВАНЫХ ТУРБОПРИВОДАХ СИСТЕМ НАДЕЖНОЙ ПОДПИТКИ НА АЭС
Деревянко О.В.
Одесский национальный политехнический университет
В данной статье представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, направленных на совершенствование систем аварийного теплоотвода на атомных электростанциях, предусматривающих подачу водных сред при помощи турбонасосных агрегатов с бустерными фрикционно-вихревыми турбинами. Применение таких бустерных турбин в комбинированных турбоприводах насосов подпитки, рассчитанных на использование энергии технологического влажного пара, в условиях полного аварийного электрообесточивания энергоблока может способствовать повышению безопасности действующих и строящихся объектов атомной энергетики.
Строительство энергоблоков АЭС, тепломассообменные процессы, аварийная подпитка водных сред, трубопроводы питательных насосов
Введение
Строительство и эксплуатация атомных электростанций (АЭС) экономически и экологически оправданы при условии обеспечения их безопасного функционирования. Безопасность реакторных установок должна обеспечиваться в том числе и в аварийных режимах, с учетом возможности полного электрообесточивания энергоблоков. Использование систем, направленных на дополнительную активизацию тепломассообмена в оборудовании энергетической установки, является мерой, направленной на снижение техногенного риска.
Известно, что в аварийных режимах функционирование системы пассивного отвода тепла (СПОТ) для снижения риска повреждения технологического оборудования может осуществляться на АЭС при полном электрообесточивании энергоблока, однако эффективность этой системы существенно зависит от достаточного снабжения водой парогенераторов реакторной установки [1]. При этом штатно подпитка парогенераторов осуществляется за счет роторных насосов с электроприводом, что делает при электрообесточивании систему подпитки неэффективной, не позволяющей максимально реализовать возможности СПОТ, чтобы достичь востребованного уровня безопасности АЭС. Традиционные турбоприводы насосов подпитки, предполагающие использование лопаточных турбин, имеют недостатки, связанные с небезударным восприятием влажного пара в пусковых (аварийных) режимах. Поэтому разработка электронезависимых приводов подпиточных насосов с возможностью безударного включения их в работу относится к актуальным техническим вопросам. Безударность пуска турбоприводов может быть обеспечена применением бустерной ступени в составе комбинированного турбопривода, предвключенной лопаточной турбине, при этом в качестве бустерной турбины может быть применена фрикционно-вихревая турбина [2].
Несложной конструктивно разновидностью фрикционно-вихревых турбин является турбина с многодисковым ротором по типу турбины Теслы. Теоретический анализ и экспериментальные исследования таких турбин, эффективность которых при их самостоятельном применении является в принципе невысокой, ранее не были востребованы практикой. Рассмотрение таких турбин в качестве бустерных обусловило научный интерес к ним и потребность в разработке научных основ их использования в современном машиностроении [3].
Анализ публикаций
Известно, что работа дисковых фрикционно-вихревых турбин основана на использовании организованного вихря рабочего тела в цилиндрическом корпусе статора в качестве движителя безлопаточного ротора за счет фрикционного взаимодействия с ним [4]. Аналитическое описание движения вихря в таком процессе и экспериментальные исследования этого процесса на основе физического моделирования в современной литературе преимущественно рассматриваются безотносительно к техническим задачам. Как показывает ретроспективный анализ публикаций, несмотря на немалое количество фундаментальных работ, направленных на изучение вихревого движения, начиная с первых опубликованных исследований Г. Кирхгофа [5], А. Пуанкаре [6], Н.Д. Горячева [7], Н.Е. Жуковского [8] и Г. Гельмгольца [9], физические процессы взаимодействия вихрей с роторами фрикционных турбин и твердыми телами вообще долгое время оставались недостаточно исследованными. Современные работы А.В. Борисова, И.С. Мамаева, М.А. Соколовского, С. М. Рамоданова [10, 11] по фундаментальному изучению вихревого движения сред в области задач математической физики, не содержат выводов, относящихся к принципам конструирования, востребованных практикой технических устройств.
Цель и постановка задач
Определяющим цель замыслом работы, стало повышение безопасности энергоблоков АЭС путем усовершенствования приводов насосов аварийного восполнения дефицита водных сред в основном тепломассообменном оборудовании АЭС в условиях полного электрообесточивания энергоблока.
Целью исследований, изложенных в рамках данной статьи, стало обоснование положения о том, что конструирование фрикционно-вихревых турбин, используемых в качестве бустерных элементов в комбинированных турбоприводах, должно предусматривать рациональное профилирование проточной части ротора ради обеспечения искомой приемистости в пусковых режимах.
Для достижения поставленной цели были поставлены две задачи: во-первых, -теоретически обосновать необходимость спирального профилирования роторов бустерных турбин; во-вторых, - экспериментально обосновать то, что без спирального профилирования проточной части ротора, независимо от шероховатости фрикционной поверхности, приемистость фрикционно-вихревой турбины меняется незначительно.
Методика исследования
Методика проведенного исследования последовательно предусматривала: аналитическое описание вихревого движения рабочего тела в междисковом пространстве ротора фрикционно-вихревой турбины для выяснения характера силового воздействия вихря на фрикционную поверхность ротора и установления необходимости спирального профилирования проточной части; физическое моделирование фрикционно-вихревой турбины и проведение испытательных экспериментов для определения критерия приемистости модельной фрикционно-вихревой турбины; исследование влияния степени хаотической шероховатости фрикционной поверхности ротора на приемистость турбины. При реализации всех указанных методических этапов учитывалось, что важным обстоятельством в условиях функционирования оборудования АЭС в предаварийных и аварийных режимах является необходимость срабатывания приводов насосов подпитки с достаточным быстродействием и высокой надежностью их включения в работу.
Результаты и их анализ
В ходе аналитических исследований, опирающихся на использование классического метода математического анализа Борисова-Рамоданова были получены следующие результаты.
Импульс фрагмента рабочего тела в междисковом пространстве, рассматриваемом как зона образования вихря и находящегося, как показано на рис. 1, в области диска,
ограниченной контурами С, С1, С2, а также радиальными отрезками АВ и А1В1, может быть представлен в комплексной форме:
Р = р+ р = +
Ъ дх Ъ дУ
где Рх
Р -
У проекции импульса тела на неподвижные относительно
цилиндрического статора оси X и у .
Рис. 1. Физико-геометрическое представлене движения и взаимодействия рабочего тела с ротором фрикционно-вихревой турбины
С учетом того, что (согласно второму закону Ньютона) изменение импульса тела равно импульсу силы, после записи криволинейного интеграла, описывающего площадь фрикционной контактной поверхности, ограниченной выделенными контурами (и принимая во внимание, что при заданном давлении площадь пропорциональна фрагментарно действующей на ротор силе), поле применения формулы Грина для преобразования криволинейного интеграла и формулы интегрирования по частям, имеем выражение для изменения импулься тела:
аР —
-1р — | гйу - 1р — | гйу-1 р — | гйу = -ЯС - Я^ + Яс
—-г с с —г с
Полученное выражение дает основание полагать, что силы ЯС и ЯС1 являются
противодействующими вращению ротора вследствие паразитического вихреобрзовагия, а сила ЯС2 играет роль центростремительной, направленной со стороны статора турбины на ротор
(посредством рабочего тела) и обеспечивает его вращение.
С использованием понятия интенсивности вихря Г (определяемой как произведение математического ротора вектора скорости на сечение спирального следа движения фрагмента рабочего тела), равнодействующая действующих сил, как это обычно записывается в задачах симплексной вихревой алгебры, может быть представлена при общепринятых обозначениях также в виде:
Я =/Г*Р—кко-!ГР —й^(11 )-ГРио +/ГРмо,
где первое слагаемое выражает силу, связанную с круговым движением - эта сила ортогональна скорости и является центростремительной, но очевидно также, что действуют другие силы, на которые указывают два последних слагаемых, и это должно учитываться при выборе конструктивных решений при совершенствовании и использовании трубопровода. Учет может быть осуществлен при переходе от рассмотрения кинетики рабочего тела к его кинематике путем выбора траекторий принудительно организованного движения рабочего тела в рабочем колесе фрикционно-вихревой турбины. Кинематический анализ физики движения, соответствующий элементарной порции рабочего тела, приводит к спирали, которая может быть определена как спираль Ахимеда (рис.2) или как спираль Ферма (рис.3).
Рис. 2. Спиральная траектория движения Рис.3. Спиральная траектория движения элементов нерасширяющегося рабочего элементов расширяющегося рабочего тела фрикционно-вихревой турбины тела в фрикционно-вихревой турбины
Для подтверждения этого теоретического положения было выполнено стендовое моделирование дисковой фрикционно-вихревой турбины, которое позволило экспериментально установить, что данное устройство, показанное на рис.4 [12], может быть описано как апериодическое звено первого порядка, исходя из характера полученных кривых разгона, типовая запись которой показана на рис. 5. Учитывая, что динамика (пусковые свойства) апериодического звена первого порядка описывается дифференциальным уравнением:
Т^ + у = кх, Ж
где х - входной параметр (входное давление), у - выходной параметр (частота / вращения ротора), к - коэффициент пропорциональности, зависящий от условий применения устройства, Т - постоянная времени (показатель приемистости турбины).
В качестве критериального показателя приемистости такой турбины была выбрана постоянная времени Т - время, за которое частота вращения ротора могла бы достичь своего установившегося значения при условии, что скорость нарастания частоты вращения оставалась бы такой же, как в начальный момент времени.
Рис.4. Сборочные конструктивные элементы модельной дисковой фрикционно-
вихревой турбины
Рис.5. Типовая кривая разгона дисковой фрикционно-вихревой турбины и определение значения постоянной времени
После перекомпоновки дисков ротора с поэтапным изменением, в ходе экспериментов, шероховатости фрикционной поверхности (от класса чистоты 14 до класса чистоты 5), были получены зависимости постоянной времени Т, приведенные на рис. 6
Т. с П
Рис. 6. Аппроксимированные зависимости значений постоянной времени от класса чистоты (К) фрикционной поверхности при различных междисковых зазорах: 1 -
0,45 мм, 2 - 0,9 мм, 3 - 1,35 мм, 3 - 1,8 мм
Т,с H
L:
l:
s
+ .
Рис. 7. Аппроксимированные зависимости значений постоянной времени от класса
чистоты (К) фрикционной поверхности при различных значениях диаметров критического сечения сопел: 1 - 2 мм, 2 - 3 мм, 3 - 4 мм
Таким образом, экспериментальные исследования позволили установить, что влияние хаотической шероховатости фрикционной поверхности является незначительным, мало влияющим на значение постоянной времени бустерной турбины исследованной конструкции.
Выводы
1. Из аналитического рассмотрения вихревого движения рабочего тела и его взаимодействия с ротором в фрикционно-вихревой турбине следует, что в пространстве цилиндрического корпуса турбины имеются вихри паразитического свойства, упорядочить которые можно, например, путем спирального профилирования роторов бустерных турбин комбинированного турбопривода.
2. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что хаотическая шероховатость, соответствующая различным классам чистоты обработки фрикционной поверхности дисков ротора, существенного влияния на динамические характеристики опытного образца бустерной фрикционно-вихревой турбины не оказывала, что убеждает в необходимости специального спирального профилирования проточной части роторов фрикционно-вихревых бустерных турбин комбинированных турбоприводов насосных систем подпитки для АЭС.
Список литературы
1. Погосов А.Ю. Предаварийные физические процессы и надежный теплоотвод в ядерных энергоустановках. Одесса: Наука и техника, 2014.- 264 с.
2. Корольов О.В. Комбшований турбопривщ насоса для подачi водних середовищ / О.В. Корольов, О.В. Дерев'янко // Патент на корисну модель № 92070 [МПК F01D/ F01K], опубл. 25.07.2014, Бюл.№ 14.
3. Королев А.В., Деревянко О.В., Погосов А.Ю. О выявлении латентных факторов, требующих превентивного срабатывания специализированной системы подпитки водных сред ЯЭУ// Енергетика та електрифшащя, 2014, № 4 (368), С.44-50.
4. Деревянко О.В. Новые аппараты подпитки тепломассообменного оборудования в системе управления енергоблоком/ О.В. Деревянко, А.В. Королев, А.Ю. Погосов// Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. - №8(126). - 2014. - С. 28-34.
5. Kirchhoff G.R. Vorlesungen über Mechanik, 1876: [Пер. c нем.] : Кирхгоф Г. Механика. - Ижевск: НИЦ «РХД», 2001. - 404 с.
6. Poincaré H. Théorie des tott,rbillions // Teubner, Leipzig, 1883 : Paris: Carre, 1893. [Пер. с фр.]: Пуанкаре А. Теория вихрей. - Ижевск: Изд-во РХД, 2001. - 160 с.
7. Горячев Д. H. О некоторых случаях движения прямолинейных параллельных вихрей / Д. H. Горячев // «Ученые записки Моск. унив.» отд. физико—математич., 1899. - Вып. 16. - С. 1-106.
8. Жуковский H.E. О трении жидкости при большой разности скоростей ее струй // Доклад на пятом водопроводном съезде в Киеве в 1901г. - [Собрание сочинений]. -Т. I, 1949.
9. Гельмгольц Г. Два исследования по гидродинамике. - М., 1902. - С. 5-51. // Int. J. Fussion Energy. 1978. - 1, №3/4. - P.P. 41-68.
10.Борисов А.В. Фундаментальные и прикладные проблемы теории вихрей / Под редакцией / А.В. Борисов, И.С. Мамаев, М.А. Соколовский. - Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. - 704 c.
11.Рамоданов С.М. Динамика твердых тел и вихревых структур в идеальной жидкости: автореф. дисс. док. ф.-м. Наук: 01.02.01. «Теоретическая механика» / Рамоданов Сергей Михайлович; Удмуртский гос. ун-т. - Ижевск, 2009 г. - 30 c.
12.Деревянко О.В. Проектирование и строительство новых энергоблоков АЭС повышенной безопасности с применением альтернативных технологий аварийной подпитки водой основного оборудования / О.В. Деревянко, А.В. Королев, А.Ю. Погосов // Строительство и техногенная безопасность. Сборник научных трудов. -Вып. 50, 2014. - С.61-68.
УДК 662.612—428.4
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ НЕСООСНО-ВСТРЕЧНЫХ ЗАКРУЧЕННЫХ ГАЗОВЫХ СТРУЙ В ТОПКАХ КОТЛОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ
Зайцев О.Н.1, Богатикова Н.П.1
1 Национальная академия природоохранного и курортного строительства Зайцев Н.О.
Одесский национальний политехнический университет
Приведены результаты теоретических исследований поля скорости при взаимодействии встречных, смещенных закрученных газовых струй, показавшие нестабильность получаемой структуры вследствие воздействия прецессирующего вихревого ядра. При этом увеличение скорости происходит в более широкой области и на всем расстоянии между взаимодействующими струями, по сравнению с рассмотренными ранее видами взаимодействия закрученных струй, в тоже время, эволюция пика скорости, вызванного сложением скоростей взаимодействующих струй, определяет оптимальное соотношение между величиной смещения струй в горизонтальной плоскости и расстоянием между точками их истечения. Вихревое ядро, прецессия, аэродинамика топки
Введение
Анализ современного состояния теории взаимодействующих закрученных потоков показывает, что свободные одиночные закрученные потоки применяются редко, в
