CC BY
41
из турбины может представлять интерес сугубо приближенная оценка дополнительной мощности АК Для этой цели можно использовать формулу (7) в следующем виде:
ЛЖ=(МЯн=С^1-^пдП2- (8)
Формула (8) не требует детального анализа течения газа в диффузоре и поэтому удобна на этапе предварительного выбора конструкции турбины и диффузора.
Разработанный подход к приближенной оценке дополнительной мощности, развиваемой турбиной за счет применения диффузора за последней ступенью, прежде всего имеет важное методическое значение при чтении курса «Энергетические машины. Раздел: Теория турбомашин» и выполнении курсового и дипломного проектирования, а также бакалаврских и магистерских работ. Предложенная методика позволяет про-
стыми средствами выполнить анализ основных факторов, влияющих на эффективность использования диффузора за последней ступенью осевой паровой или газовой турбины.
В технических приложениях эта методика может быть использована не только на этапе предварительного выбора рациональной конструкции диффузора за последней ступенью турбины, но также — после насыщения ее экспериментальными данными о влиянии на КПД диффузора геометрических и режимных параметров — и в задачах многорежимной компьютерной оптимизации проточных частей многоступенчатых осевых паровых или газовых турбин совместно с диффузором за последней ступенью. Методические рекомендации по постановке и решению задач многорежимной компьютерной оптимизации проточных частей многоступенчатых осевых паровых и газовых турбин различного назначения, в том числе и в составе теплоэнергетических установок, рассмотрены, например, в монографии [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кириллов, И.И. Теория турбомашин [Текст]: 2. Лапшин, К.Л. Оптимизация проточных час-
монография / И.И. Кириллов,— Л., 1972,— 536 с. тей паровых и газовых турбин [Текст]: монография /
К.Л. Лапшин,- СПб., 2011,- 177 с.
УДК 621.165.001.5
A.C. Лисянский, В.А. Рассохин, Е.Ю.Семакина, В.А.Черников
ОПТИМИЗАЦИЯ ВЫХОДНОГО ПАТРУБКА ЦНД МОЩНОЙ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ НА БАЗЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Темпы роста единичных мощностей выпускаемых атомных паровых турбин определяются главным образом удешевлением стоимости установленного киловатта электростанции при увеличении единичной мощности АЭС. Так, в 1979 году в СССР была выпущена одна из первых паровых турбин для АЭС мощностью 220 МВт [1], а в 2008 году фирмой Siemens AG PG была изготовлена турбина мощностью
1900 М Вт для АЭС в Финляндии [2], что почти в 9 раз превышает мощность первой.
Наряду с этим невысокие начальные параметры пара большинства АЭС и относительно низкая температура промперегрева обусловливают больший удельный расход пара по сравнению с турбоустановками, работающими на органическом топливе. Так, например, удельный расход пара влажнопаровой турбины для АЭС
мощностью 1000 МВт — т =5,8 кг/(кВт-ч), тогда как турбина сверхкритических параметров пара для ТЭС мощностью 1200 МВт расходует около т =3 кг/(кВт-ч), что на 90 % меньше, чем в указанной АЭС.
Таким образом, количество пара, поступающего в единицу времени в конденсатор влажно-паровой турбины, для АЭС примерно в 1,9 раза больше, чем в установке той же мощности, но работающей при сверхкритических начальных параметрах пара. Эти причины определяют характерную и весьма важную для конструктора черту мощных турбин для АЭС — развитые части низкого давления и их особую роль в общих экономических показателях АЭС. В этих условиях аэродинамическое совершенствование качества выходного патрубка ЦНД становится актуальной научной задачей, решение которой, хотя бы частичное, сулит заметные экономические выгоды.
Нужно отметить, что проблеме аэродинамического совершенствования выходного патрубка ЦНД посвящено большое количество исследований [3—5 и др.]. С использованием методов численного моделирования в ряде работ изучено влияние кольцевого дефлектора осерадиального
диффузора на эффективность работы выходного патрубка ЦНД.
Исследования, о которых идет речь дальше, проведены на модели конструкции нового выходного патрубка ЦНД паровой турбины большой мощности.
Экспериментальный стенд
Для аэродинамических исследований выходного патрубка ЦНД, который в натурной машине выполняется в виде двухпоточной системы, выбрана модель одного потока в предположении строгой симметричности течения относительно поперечной плоскости ЦНД, разделяющей двух-поточную конструкцию на две половины.
Внешний вид экспериментального стенда ЭС-ОВ-ЦНД лаборатории турбиностроения имени И.И. Кириллова показан на рис. 1. Кроме крупномасштабной модели выходного патрубка стенд включает в себя подводящий тракт с расходо-мерным соплом и уравнительным ресивером, координатную оптико-электрическую систему для траверсирования потока во входном сечении, координатное устройство для перемещения пяти-канальных пневматических векторных зондов, а также автоматизированную информационно-
Рис. 1. Экспериментальный стенд ЭС—ОВ—ЦНД для исследований выходных патрубков:
1— подводящий тракт с расходомерным соплом; 2— уравнительный ресивер; 3— модель патрубка; 4— пятиканальные пневматические векторные зонды; 5— координатное устройство; 6— автоматизированная информационно-измерительная система
Вид А
\ й '
_, шШШШ\ !__ со 5-
ш Ш
_ Кг иА II
9( >5 1--
Рис. 2. Чертеж продольного разреза экспериментального стенда ЭС—ОВ—ЦНД для исследований
выходных патрубков:
1— расходомерное сопло; 2— подводящий тракт; 3— уравнительный ресивер; 4— модель патрубка; 5 — модель переходного диффузора; 6 — пятиканальный пневматический зонд
измерительную систему. Чертеж продольного разреза стенда представлен на рис. 2.
Модель патрубка
Модель выходного патрубка ЦНД, выполненная в масштабе к = 1:12 (рис. 3), состоит из корпуса, осерадиального диффузора и переходного диффузора, соединяющего выходной патрубок с горловиной конденсатора.
Жесткость корпуса в прототипе обеспечивает система внутренних распорных цилиндрических стержней, которые имитируются в модели соответствующими стержнями. В тракте прототипа после осерадиального диффузора для организации потока и обеспечения необходимой жесткости конструкции используются перфорированные и сплошные ребра, которые также моделируются с необходимой точностью с помощью пластин.
Проточная часть осерадиального диффузора образована наружной и внутренней осесиммет-ричными поверхностями (см. рис. 2 и 3). Наруж-
ный обвод диффузора представляет собою двад-цатиугольник при входе в него, который составлен из 20 примыкающих друг к другу специально спрофилированных пластин. Эти пластины при выходе из диффузора в радиальной части образуют кольцевую торцевую плоскость. Как по входным, так и по выходным кромкам все пластины соединены кольцевыми деталями, а по торцевым боковым плоскостям — с помощью пайки.
Внутренний корневой обвод диффузора представляет собой сочетание отдельных концентрических конических втулок, образующих точную копию (в масштабе) натурной внутренней поверхности диффузора.
Основной корпус патрубка составлен из трех частей:
передней панели с расточкой для втулки периферийного обвода, имитирующей подвод потока из последней ступени;
основного корпуса модели патрубка, выполненного из листового оргстекла с толщиной листа 20 мм;
задней несущей панели с координатным устройством, механизмом поворота и конусными обводами наружной поверхности диффузора.
Во внутренней полости модели патрубка располагаются: система радиальных пластинчатых ребер, точно моделирующих соответствующие ребра жесткости в натурном патрубке; поперечная перегородка в нижней части патрубка; две симметрично расположенные пластины-укосины; два направляющих ребра; два ребра жесткости; распорные стержни, имитирующие соответствующие детали в натурном патрубке.
В проточной части патрубка все особенности конструкции моделируют вставки: две вставки, имитирующие особенности проточной части в нижней половине патрубка; симметричный выступ в верхней половине (в крышке патрубка), наличие которого диктуется обеспечением доступа к заднему подшипнику в натурной конструкции; выступ у передней стенки патрубка, имитирующий контуры паропровода в систему регистрации; плоские цилиндрические упоры-шайбы у всех распорных стержней, расположенные с двух сторон у каждого из стержней.
Таким образом, геометрия проточной части модели полностью соответствует геометрии внутренней полости натурного патрубка.
Важнейшая составная часть конструкции выходного тракта — переходный прямоугольный диффузор, соединяющий патрубок с горловиной конденсатора. Именно на выходе из переходного диффузора необходимо добиваться по возможности равномерного потока с наименьшими потерями кинетической энергии по тракту.
Модель переходного диффузора выполнена также в масштабе к= 1:12с точным соблюдением геометрического подобия. Материал стенок диффузора — оргстекло толщиной 20 мм выбран с целью возможной визуализации потока при аэродинамических исследованиях выходящего потока.
Измерительная система
Схема предусматривает измерения в нескольких сечениях патрубка (рис. 4). Входное сечение в патрубок соответствует выходному сечению за последней ступенью натурной турбины, поэтому в соответствии с принятыми обозначениями это контрольное сечение имеет номер 2-2. Контрольное измерительное сечение 2-2 выбрано на расстоянии 0,082/2 от оси рабочей
Рис. 3. Твердотельная модель выходного патрубка ЦНД.1
(модель конструкции лаборатории турбиностроения СПбГПУ, масштаб моделирования 1:12)
лопатки последней ступени. В этом сечении располагается ось приемных отверстий «гребенки» для измерения поля полного давления входящего потока в модели патрубка. Обтекатель, моделирующий корневую втулку турбины за последней ступенью, в которой расположена «гребенка» полного давления, выполнен в виде поворотной втулки для обеспечения траверсиро-вания поля потока при входе в кольцевом сечении 2-2 в пределах изменения координатного угла 02 от 0 до 360°. Угловое перемещение поворотной втулки производится через рычаг, на котором закреплен планетарно-червячный редуктор (тип УР-7М) с электродвигателем (тип МУ 320). Выходная цилиндрическая шестерня редуктора находится в зацеплении с зубчатым колесом, неподвижно закрепленным на корпусе модели (см. рис. 3).
На периферийном обводе сечения 2-2 предусмотрено 8 дренажных отверстий диаметром 1 мм для измерения распределения давления р\ по окружности, а у корня — два дренажных отверстия для измерения распределения давления р'2 в потоке у втулки. Так как конструкция модели специально выполнена с поворотной втулкой, то число измерений по окружности выбирается во время эксперимента в зависимости от неравномерности распределения р2 по окружности.
Pi-!-
Ра-2-
/>4-3-
Отвод воздуха
Координатник КЭ-400
зм-ц-usHJ
Сеч. 2-2 Вид против потока
Сеч. 3-3
Сеч. 2-2 Вид против потока
Зонд ЗМ-Ц-US
Подвод воздуха
рт-гс
Сопло расходомерное
Рис. 4. Схема измерений стенда ЭС—ОВ—ЦНД
Полная температура в сечении 2-2 равна температуре торможения потока в ресивере Т2 =7^ес (см. рис. 4). Заметим, что процесс течения в выходном патрубке адиабатен, а следовательно, температура торможения в любом сечении потока остается постоянной.
Контрольное сечение 3-3 за осерадиальным диффузором имеет по восемь равнорасположен-ных дренажных отверстий на внутреннем (втулочном) и наружном обводах проточной части для измерения распределения статического давления в этом сечении (см. рис. 4).
В сечении 4-4 при выходе из переходного диффузора выполнено 21 дренажное отверстие по обводу этого сечения для измерения распределения пристеночного статического давления р4 .В этом же сечении предусмотрено траверсирование 3D-потока с помощью пятиканальных зондов фирмы United Sensors (см. рис. 4). Схема траверсирования может изменяться в зависимости от действительной структуры выходного потока, которая может определяется только экспериментом.
Измерение расхода воздуха через патрубок производилось с помощью расходомерного со-
пла в соответствии с нормативами на расходо-мерные устройства.
Представленная схема обеспечивает измерение всех необходимых газодинамических величин для вычисления интегральных характеристик выходного патрубка ЦНД совместно с переходным диффузором ПД-ЦНД-К, а также полей скорости и параметров 31)-потока в характерных сечениях его проточной части. Сбор и обработка экспериментальных данных проводились с помощью автоматизированной информационно-измерительной системы [7].
Методика обработки экспериментальных данных
Основными суммарными (интегральными) аэродинамическими характеристиками патрубка являются следующие величины:
коэффициент патрубка совместно с переходным диффузором
^2ер #4ер .
п+пд '
р2срс2ср/2
коэффициент сопротивления патрубка
" _ ^2ер ~ ^4ср р2срс2ср/2
0)
(2)
где />2Сри />4Ср — среднее полное давление соответственно во входном сечении 2-2 и в выходном сечении 4-4 переходного диффузора;
коэффициент кинематической неравномерности потока
(3)
"ср
где стш, стЫ и сср — максимальная, минимальная и средняя величины скорости потока в исследуемом сечении;
коэффициент восстановления давления осе-радиального диффузора
г _ РЗср Р2ср
р~ 2 /о Р2срс2ср I1
(4)
Средние величины для того или иного конкретного сечения патрубка рассчитываются исходя из уравнений сохранения, написанных для реального и одномерного осредненныхпотоков [7].
Для тех измерительных сечений, в которых поток достаточно равномерен, (например, для сечения 2-2) параметры и скорости осредняются посредством интегрирования по площади этого сечения.
Результаты экспериментов
Экспериментальные кривые
" "п+пд
п+пд '
■_ЯМС)
п+пд шах
(рис. 5) характеризуют влияние эффекта сжимаемости рабочей среды, а также изменяющихся местных чисел Рейнольдса на уровень потерь в патрубке с переходным диффузором. Из приведенных данных вытекает однозначный вывод:
в базовом варианте модели в области чисел МСо = = 0,45-0,67 происходит незначительное возрастание потерь кинетической энергии, и соответ-
ственно А"п+пд = + 0,06 при возрастании Мс в указанном диапазоне. В то же время опыты показывают монотонное возрастание потерь во всей исследованной области изменения величины МСо (от 0,1 до 0,67). Величина этого изменения потерь характеризуется значительной
разностью А"п+пд = 0,35 (см. рис. 5). Для модифицированного варианта (вариант 2) в области повышенных чисел Маха Мг = 0,45—
с2
0,67 наблюдается некоторое снижение потерь кинетической энергии (А"п+пд = -0,001) при общем росте во всем исследованном диапазоне А"^ =+0,19.
Величина потерь кинетической энергии в патрубке во многом определяется степенью восстановления статического давления в осеради-альном диффузоре. Это наглядно демонстриру-
— Со
ется сравнением кривых Ср = —для базового
С
р шах
где />2Ср, /?зср — средние статические давления
в сечении 2-2 и 3-3 при входе и выходе потока из осерадиал ьного диффузора.
и модифицированного вариантов патрубка: для значений числа Маха М2 > 0,25 повышенный Ср в модифицированном варианте соответствует
Рис. 6. Зависимости коэффициентов потерь патрубка с переходным диффузором А"п+пд и коэффициента восстановления давления осерадиального диффузора Ср от режима работы (модель ЦНД,
вар.1 и вар. 2): • — к-т потерь патрубка (вар. 1); ■ — к-т потерь патрубка (вар. 2); ▲ — Ср диффузора (вар. 1); ♦ — Ср диффузора (вар. 2); — Ср идеальный
Рис. 6. Зависимость коэффициента неравномерности поля скоростей во входном сечении патрубка от режима работы (модель ЦНД, ■ — вариант 1; ♦— вариант 2)
более низкому уровню потерь и, наоборот, недостаточный уровень восстановления давления в осерадиальном диффузоре базового варианта патрубка ведет к большим потерям кинетической энергии. При числах Маха М2 < 0,25 наблюдается обратное соотношение: для базового варианта Ср выше и при этом ниже уровень потерь. Кривые зависимостей Ср =/(М2) в двух
вариантах и <^п+пд = /{М) в этих же вариантах пересекаются при одном и том же числе М1 = 0,25.
На рис. 6 приведена зависимость коэффициента %2 неравномерности поля скоростей входящего в патрубок потока от числа М->, иллюстрирующая «обратное» (потенциальное) влияние
неосесимметричности выходного патрубка на характер течения в области последней ступени.
Как видно по рис. 6, величина Х2Равна 0,32 на расчетном режиме и достигает минимального значения х7т|п = 0,27 при входном числе М2=0,45. Такое «обратное» влияние следует считать значительным, и необходимо принимать его во внимание при оценке резонансных частот рабочих лопаток последней ступени. Поля параметров потока в выходном сечении переходного диффузора (сечение 4-4) представлены на рис. 7. Тра-версирование потока производилось пятиканаль-ными векторными зондами в плоскости ху [7]. Расходная составляющая скорости направлена по оси г. Представленные распределения свиде-
тельствуют о значительной неравномерности поля скоростей потока. Область, где течение практически отсутствует, занимает приблизительно 20 % площади выходного сечения. Эти зоны с нулевым массовым расходом рабочей среды располагаются симметрично оси симметрии сечения 4-4 и занимают центральную часть каждой из половин этой плоскости. Основные массы потока протекают в центральной части контрольного сечения и вдоль его боковых стенок, где расходные составляющие скоростей достигают максимальных величин. Кроме крайне неравномерного распределения массы рабочей среды, имеется интенсивная завихренность во всем объеметечения (рис. 6, б, в). Эти негативные качества выходящего из патрубка потока являются, в основном, следствием воздействия на течение внутренних конструктивных элементов, таких, как поперечная перегородка в верхней (в натуре — нижней) половине модели, укосины, радиальные ребра (см. рис. 3). Изложенное позволяет утверждать, что имеются определенные резервы для совершенствования конструкции.
Крупномасштабная модель, а также современная автоматизированная система измерений стенда ЭС-ОВ-ЦНД делают возможным подробное изучение структуры трехмерного потока и сравнительного анализа различных вариантов модельного патрубка с соблюдением основных критериев подобия — чисел Ми Re.
Коэффициент патрубка совместно с переходным диффузором "п+пд модели ЦНД.1 модифицированного варианта 2 на 20 % ниже базового варианта при числе Маха МС2 = 0,67.
Коэффициент %2 неравномерности в сечении 2-2, вызываемой обратным воздействием па-
СПИСОК J
1. Кириллов, И.И. Паровые турбины и паротурбинные установки [Текст] / И.И. Кириллов, В.А. Иванов, А.И. Кириллов.^ JL: Машиностроение. 1978.— 276 с.
2. Stuer, Н. Siemens AG PG. Entwicklung von neuen Beschaufelungen zur Wirkungsgradsteigerung von Niederdruck-Dampfturbine.-38 [Текст] / H. Stuer, J. Her-meller, C. Richter [и др.] // KW К. Dresden, Tagungs-band-2006. Vol. 2. № 11.
3. Мигай, B.K. Проектирование и расчет выходных диффузоровтурбомашин [Текст] / В.К. Мигай, Э.И. Гудков.^Л.: Машиностроение, 1981.— 272 с.
4. Дейч, М.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин [Текст] / М.Е. Дейч,
трубка на входящий поток, достигает величины %2min = 0>48 при том же числе М^ = 0,67, что может стать причиной возбуждения колебаний рабочих лопаток последней ступени ЦНД турбины.
Коэффициент неравномерности %4 в сечении 4-4 достигает значения %4= 1,97, что свидетельствует о негативном воздействии на поток внутренних конструктивных элементов и создает неблагоприятные входные условия потока в конденсатор.
Один из важнейших элементов патрубка ЦНД — осерадиальный диффузор — в данной модели показал недостаточно высокие восстановительные характеристики. Сравнение полученной величины Срд с величиной Срдид= 0,65 дает основание сделать вывод о том, что именно в совершенствовании геометрии проточной части осерадиального диффузора кроются резервы повышения аэродинамического совершенствования патрубка ЦНД в целом. Уступ (внезапное расширение) на входе в осерадиальный диффузор является генератором газодинамических явлений на поверхности внешнего обвода осерадиального диффузора, а следовательно, и дополнительным источником потерь.
Сопротивление цилиндрических распорных стержней, расположенных равномерно по окружности поперек потока при выходе из осерадиального диффузора, т. е. в зоне больших скоростей течения, вызывает заметные потери кинетической энергии.
Радиальные пластинчатые ребра, установленные в области осерадиального диффузора, т. е. в области максимальных скоростей потока, вызывают существенные потери трения в случае закрутки потока за последней ступенью.
ТЕРАТУРЫ
А.Е. Зарянкин.^ М.: Энергия, 1970.— 384с.
5. Гоголев, И.Г. Аэродинамические характеристики ступеней и патрубков тепловых турбин [Текст] / И.Г. Гоголев, A.M. Драконов.^ Брянск: Брянское областное издательство «Грани», 1995.— 258 с.
6. Аэродинамические характеристики ступеней тепловыхтурбин [Текст] / Под общ. ред. В.А. Черникова . Л.: Машиностроение, 1980.— 263 с.
7. Черников, В.А. Информационно-измерительная система экспериментального стенда для газодинамических исследований выходных диффузоров и патрубков турбин [Текст] / В.А. Черников, Е.Ю. Семакина, Т.Ф. Баранова// Энергетические машины и установки.^ 2008. № 1,-С. 24-34.
