автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Повышение эффективности сопловых решеток турбин на влажном паре изменением геометрических параметров и гидрофобными присадками

ВВБЩЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Результаты исследования структуры парокадельного потока в сопловых решетках.

1.2. Аэродинамические характеристики решеток в потоке влажного пара.

1.3. Гидрофобизация элементов проточной части турбин, как способ снижения отрицательного влияния влаги

Хорошо известно, что в СССР осуществляется интенсивное строительство АЭС, разрабатываются новые типы основного и вспомогательного оборудования, модернизируются и совершенствуются уже освоенные в промышленности энергетические комплексы.

Энергетическая проблема в Сирийской Арабской Республике становится изо дня в день все более актуальной для экономики страны. Эта важнейшая задача решается как на пути использования традиционных, так и новых источников энергии.

Преимущественное развитие энергетики предусмотрено государственными планами Сирийской Арабской республики, где тепловые и атомные электростанции проектируются и сооружаются при содействии Советского Союза, оказывающего братскую помощь дружественной стране. Успехи в совершенствовании оборудования АЭС, достигнутые в Советском Союзе, имеют важное значение и для атомной энергетики САР

Паровые турбины представляют собой важное звено тепловой электростанции, их эффективность и надежность весьма существенно влияет на экономичность и надежность всей станции. Следует подчеркнуть, что проблемы экономичности и надежности паровых турбин являются взаимосвязанными. В подавляющем большинстве высокая экономичность турбоустановки определяет и ее высокую надежность.

Как показывает практика мирового турбостроения, наиболее острыми являются проблемы повышения экономичности и надежности ступеней ЦНД мощных паровых турбин высоких параметров, работающих в зоне конденсирующегося и влажного пара. Наряду с другими факторами (большая веерность ступеней, большие числа Маха, низкие числа Рей-нольдса и др.) значительное влияние на экономичность ЦНД оказывает влажность пара. До настоящего времени многие физические аспекты сложного процесса течения конденсирующегося и влажного пара в решетках, в ступенях и в отсеках ступеней, не получили полного освещения. Отсутствуют достаточно надежные аэродинамические характеристики решеток на влажном паре (коэффициенты потерь кинетической энергии, коэффициенты расхода, углы выхода потока), необходимые для газодинамического и теплового расчетов проточной части (в особенности, решеток ступеней большой веерности).

Проблема влияния влажности является наиболее острой для турбин насыщенного пара; ступени высокого давления таких турбин работают в области влажного пара и их экономичность и надежность в еще большей степени зависят от влажности (по сравнению с турбинами перегретого пара).

Структурные исследования двухфазных течений в решетках и ступенях дали результаты, которые могли бы использоваться для оптимизации решеток и ступеней влажнопаровых турбин. В настоящее время проблемы оптимизации решались, в основном, под углом зрения уменьшения количества жидкой фазы в проточной части. Решение этой задачи достигается применением развитой внутриканальной, периферийной сенарации и внешней сенарации. В последние годы начаты исследования внутриканального наддува сопловых решеток с одновременным обогревом полых лопаток. Этот метод борьбы с отрицательным влиянием влаги еще не использован с необходимой полнотой. Однако представляется очевидным (на основании первых опытных данных), что метод внутри-канального наддува греющим паром является перспективным, в особенности, в сочетании с отработкой оптимизированных для этой цели профилей и геометрических параметров решеток.

Следует подчеркнуть, что задачи оптимизации профилей и решеток для влажного пара представляют особый интерес в сочетании либо с сепарационннм методом уменьшения влажности, либо с методом наддува греющим паром. Цри этом, в основу оптимизации должны быть положены не только условия минимизации дополнительных потерь от влажности и суммарных потерь, но и условия максимальной эрозионной надежности рабочих и сопловых решеток.

Представляется очевидным, что оптимизация форм, профилей и геометрических параметров решеток для ступеней влажного пара в сочетании с внутриканалышм наддувом греющим паром или внутриканаль-ной сепарацией является значительно более сложной задачей по сравнению с известными оптимизационными решениями для гомогенной среды.

Вместе с тем, кроме перечисленных путей совершенствования решеток для влажного пара, в последнее время в газодинамическом отделе кафедры ПГТ МЭИ были развернуты исследования, ориентированные на применение гидрофодных веществ.

Применение гидрофодазирующих элементов широко известно. Такие вещества позволяют заметно снизить гидродинамическое сопротивление в различных каналах. Поэтому естественной была попытка использовать гидрофодные вещества в двухфазных потоках в проточной части влажно паровых турбин.

Первые опыты с введением малого количества пленкообразующего октадециламина (ОДА) в проточную часть турбин влажного пара подтвердили целесообразность такого метода снижения отрицательного влияния влаги. Опыты показали, что введение в водяной пар присадок ОДА в малых количествах приводит к следующим положительным результатам : I) способствует дроблению крупных капель; 2) стабилизирует нестационные процессы; 3) снижает интенсивность волнового движения на границе раздела фаз (на поверхности пленок); 4) снижает потери кинетической энергии, связанные с взаимодействием фаз (несущей фазы с каплями); 5) способствует снижению эрозионного разрушения лопаток.

Однако детальное изучение влияния ОДА на аэродинамические * характеристики решеток (сопловых и рабочих) различных геометрических параметров, не было до сих лор осуществлено. Если иметь в виду введение ОДА в проточную часть турбин, то наряду с другими задач ми, необходимо было получить опытные данные, характеризующие дифференцированное влияние ОДА на составляющие потерь кинетической энергии в решетках, углы выхода потока, коэффициенты расхода на структуру двухфазного потока в решетках, в том числе и на способность ОДА снижать эрозионный износ.

Таким образом, в предлагаемой диссертации рассмотрены две взаимосвязанные задачи:

1. Оптимизация профилей сопловых решеток до звуковых скоростей для работы в области влажного пара.

2. Исследование влияния пщрофобизирующего вещества (ОДА) на аэродинамические характеристики решеток исходного типа и оптимизированных по геометрическим параметрам.

Работа выполнена под руководством проф. М.Е. Дейча, поставившего задачу исследования и осуществлявшего непосредственное научное руководство при ее решении.

Автор данной работы выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. М.Е. Дейчу, а также к.т.н. с.н.с. A.B. Куршакову, к.т.н. В.А. Сивобороду и к.т.н. доц. В.В.Фролову за помощь, оказанную диссертанту в анализе и трактовке результатов.

Диссертант выражает свою признательность всему коллективу кафедры ЕГТ МЭИ за помощь в организации и проведении экспериментов.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщение результатов опытов, ранее проведенных в МЭИ и комплекс экспериментальных и расчетных исследований, представленный в настоящей диссертации позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Подтверждено, что дополнительные потери кинетической энергии в изолированных сопловых решетках, вызванные появлением жидкой фазы низкой степени дисперсности (крупные капли, пленки), при дозву ковых скоростях обусловлены: а) рассогласованием скоростей фаз (скольжением капель, дробле нием, коагуляцией и взаимодействием с пленками). б) увеличением потерь на трение в двухфазном пограничном слое; в) возрастанием амплитуд пульсаций, создаваемых дискретной фазой (каплями); г) неравновестностью процесса расширения.

2. Влияние влажности на аэродинамические характеристики сопловых решеток группы А (для дозвуковых скоростей) существенно зависит от геометрических параметров решеток и формы профилей (каналов). Изменением относительного шага лопаток, формы входного участка каналов, радиуса округления входной кромки формы и размеров выходных^боеспечивается снижение дополнительных потерь кинетической энергии.

3. Уменьшением относительного шага от = 0,75 до £ =0,62 и радиуса округления входной кромки отГ0 = 3,5 мм до = 1,5 мм при одновременном увеличении хорды профиля на 43 МИ, и, соответствен но, протяженности входного участка межлопаточного канала, дополнительные потери от влажности снижены в среднем на %, При этом основная часть исходного профиля сохранена неизменной, обугленная выходная кромка заменена плоскосрезанной.

Указанное снижение потерь подтверждено в широком диапазоне режимов по числам Маха и Рейнольдса.

4. Физически обоснованный выбор основных геометрических параметров профиля и межлопаточного канала позволяет улучшить структурные характеристики двухфазного потока в сопловой решетке: размеры капель за решеткой уменьшаются в>;2-2,5 Р(Щраспределение дискретности по шагу оказывается более равномерным, коэффициенты скольжения возрастают. Можно ожидать, что по этим причинам эрозионный износ рабочих лопаток будет менее интенсивным.

5. Расчет двухфазного монодисперсного потока в сопловых решетках по методу, разработанному в МЭИрЗ3удовлетворительно подтверждается данными эксперимента. Установлено хорошее совпадение распределение давлений по обводам профиля; подтверждена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных значений основной части дополнительных потерь и углов выхода потока в зависимости от влажности.

6. Расчеты перегретого и спонтанно-конденсирующегося потока пара, осуществленные по методу МЭй[32 ], показали удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента по распределению давлений на обводах профиля при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, распределению концентраций и дисперсности жидкой фазы за решеткой.

Вместе с тем, неучитываемое в расчетах влияние вязкости несущей фазы пограничного слоя, особенно значительное в косом срезе решетки, пульсационных процессов, а также реальной волновой структуры при сверхзвуковых скоростях, не позволяет использовать расчетные методы для полного сопоставления различных решеток и их оптимизации.

7. Введением малых добавок гидрофобного вещества - окдадеци-ламина - в двухфазный поток на входе в сопловую решетку приводит к значительному снижению дополнительных потерь от влажности (профильпри расходе окладециламина до 22,0 гр ОДА/кг пара.

Уменьшение дополнительных потерь при введении ОДА обусловлено: а) снижением затрат кинетической энергии несущей фазы на разгон, дробление и коагуляцию капель, размеры которых уменьшаются при гидрофобизации; б) стабилизацией поверхности раздела в двухфазном пограничном слое и, как следствие, уменьшением потерь на трение на обводах профиля и в концевых зонах; в) снижением интенсивности пульсационных процессов и, в частности, степени турбулентности; г) снижением степени неравновесности процесса расширения при гетерогенной конденсации.

8. Введение ОДА улучшает структурные характеристики потока за решеткой, уменьшает размеры капель и рассогласование скоростей несущей и дискретной фаз по величине и направлению, что должно снизить эрозионный износ лопаток.

Таким образом, проведенные исследования, показали, что попытки учета влияния влажности на характеристики ступени (КПД, коэффициенты потерь и расхода, углы выхода потока) без учета конкретных форм профилей и каналовй сопловой и рабочей решеток являются несостоятельными.

Вместе с тем, результаты проведенного исследования не позволяют разработать методику расчета аэродинамических характеристик сопловой и рабочей решеток, так как для решения этой важной задачи необходимо проведение дополнительных исследований решеток и ступеней различных типоразмеров. ных и концевых): А снижается на i %,

Представляются необходимыми дальнейшие экспериментальные исследования, ориентированные на подробное изучение влияния влажности на аэродинамические характеристики сопловых и рабочих решеток. Составной частью этих исследований должно быть подробное изучение влияния основных геометрических параметров решетках (относительного шага, угла установки профиля, протяженности слабоградиентного входного участка канала, размеров входной и выходной кромок и др.) на дополнительные потери от влажности, углы выхода потока, коэффициенты расхода. По данным предшествующих и настоящего исследований должна быть определена необходимой номенклатура типоразмеров профилей дозвуковых решеток на различные углы входа и выхода потока, для различных диапазонов чисел Маха, Рейнольдса и отношения плотностей фаз.

Дальнейшее совершенствование расчетного метода, учитывающего влияние пограничного слоя, пульсационных характеристик потока спонтанно конденсирующегося пара, а также реальной волновой структуры в косом срезе при сверхзвуковых скоростях, позволит решать задачи оптимизации решеток и ступеней с привлечением экспериментальных данных минимального объема.

1. Глушков В.И. Исследование структуры влажного пара в турбинных решетках. Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 1971, 19 с.

2. Хизанашвили М.Д. Исследование структуры потока влажного пара в сопловых решетках и внутриканалъная сепарация. Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 1973. 26 с.

3. Георгиев К.Г. Исследование вихревых и сопловых течений влажного пара капельной структуры, канд. дисс. М.: МЭИ, 1978, 227 с.

4. Савостьянов В.А. Исследование вихревых кромочных следов, канд. дисс. М.: МЭИ, 1980, 226 с.

5. Абрамов Ю.И. Исследование внутриканальной сепарации влаги из проточной части турбин. Автореферат канд. диссертации, 1970, МЭИ.

6. Абрамов Ю.И., Силин А.В. Образование крупнодисперсной влаги на выходных кромках сопловых аппаратов турбин влажного пара. "Теплоэнергетика", 1977, № 3, с. 31-35.

7. Дейч М.Е. Техническая газодинамика, М., Изд. 3, 1974. -592 с. Изд. 2, 1961, изд. I, 1953.

8. Трояновский Б.М. Влияние влажности на экономичность паровых турбин. "Теплоэнергетика", 1978, №10,

9. Дейч М.Е. Некоторые проблемы экономичности и надежности влажнопаровых турбин. Известия АН СССР, Энергетика и траспорт, М., 1984, № I, с. 56-75.

10. Селезнев Л.И., Агеев В.А. Адибатное расширение в двухфазную область в присутствии поверхностно-активных веществ, Труды МЭИ, тематический сборник, выпуск 583, М., 1982, с. 41-45.

11. Абрамзон A.A., Богаров В.В., Гаевой Г.М. и др. Поверхностно-активные вещества, справочник, Л. "Химия", 1979 г. -376 с.

12. Филиппов Г.А., Поворов O.A. Игнатавская и др., Исследование влияния гидрофобных присадок на статические характеристики волновой пленки журнал ТВТ 1980, № 3.lb*Toms В. A., Some observation on ihe Нош of- tinea

13. Влияние полимерных добавок и упругости поверхности на пристенную турбулентность. Сб. научн. тр. под ред. Кутателадзе С.С. и Миронова Б.П., Новосибирск, 1978, 91 с.

14. Седов Л.И. и др. Особенности структуры пристенной турбулентности и механизм снижения трения полимерными добавками. Сб. докладов на У Всесоюзном навчном совещании по теоретическим и прикладным аспектам турбулентных течений, Таллин, 1985г.

15. Беляев Л.А. Исследование расходных и энергетических характеристик элементов проточных частей турбин влажного пара. Автореферат канд. диссертации, 1978, МЭИ.

16. Данилин B.C. Исследование конфизорных потоков влажного пара с низкой степенью сухости, канд. дисс. М.: МЭИ, 1970, 173 с.

17. Филиппов Г.А., Поваров O.A. и др. Исследование влияния гидрофобных присадок на работу турбинных ступеней влажного пара. "Теплоэнергетика", 1979, & 6.

18. Поваров O.A., Васильченко Е.Г., и др. Влияние поверхностно-активного вещества ОДА на щелевую эрозию металлов. "Теплоэнергетика", 1962, II.

19. КУршаков A.B. Исследование неравновесных течений перенасыщенного и влажного пара с большими скоростями, канд. дисс. М.: МЭИ, 1971, 180 с.

20. Фукс H.A. Механика аэрозолей, М.: АН ССОР, 1955, 342 с.

21. Романовский В.И. Основные задачи теории ошибок, ГТИ,1947.

22. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений. Изд. 2, М.: ГТМ, 1953, 383 с.

23. Руэлас Г.Б. Применение внутриканального наддува в сопловых решетках влажнопаровых ступеней турбин, канд. дисс. М.: МЭИ, 1983 г., 251 с.

24. Дейч М.Е., Филиппов Г.А., Лазарев Л.Я. Атлас профилей решеток осевых турбин, М., "Машиностроение", 1965, 96 с.

25. Дейч М.Е., Куршаков A.B., Фролов В.В., Маковец В.П. Распределение температур по обводам профилей обтекаемых влажным паром. "Теплоэнергетика", 1985, № 3, с. 39-42.

26. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред, М., 1981, 472 с.

27. Дейч М.Е., Куршаков A.B., Монов В.М., Тищенко A.A. Пуль-сационные характеристики конфузорных конденсирующихся потоков пара. "Энергетика и транспорт", 1984, £ 4, с. I20-I3I.

28. Никольский А.Н. Исследование влияния дисперсности влажного пара на энергетические и расходные характеристики турбинных решеток канд. дисс. М.: МЭИ, 1980 230 с.

29. Симановский Г.П. Численное исследование течений с нерав-новестными фазовыми превращениями в соплах и решетках турбин канд. дисс., М.: МЭИ, 1982, 146 с.

30. Сивобород В.А. Расчетно-теоретическое исследование двухфазных течений в каналах в решетках турбин канд. дисс. М. : МЭИ, 1979, 147 с.

31. Селезнев Л.И. Теоритическое исследование некоторых задач газодинамики двухфазных сред. канд. дисс. М.: МЭИ, 1967, 185 с.

32. Дейч М.Е., Салтанов P.A., Сивобород В.А., Симановский Г.П, Численное решение неодномерных смешанных задач газодинамики двухфазных сред. Труды МЭИ, 1976, вып. 306, с. 9-20.

33. Дейч М.Е., Куршаков A.B., Леонов В.М., Тищенко A.A. Цуль-сационные режимы и резонансные явления при спонтанной конденсациив соплах Лаваля. "Теплоэнергетика .", 1984, $ 10, с. 34-37.

34. Годунов С.К. Разностный метод численного расчета разрывных решений уравнений гидродинамики, матем. Сб., 1959, вып. 3,с. 271-306.

35. Годунов С.К., Забродин A.B., Прокопов Г.П. Разностная схема для двухмерных нестанционарных задач газовой динамики и расчет обтекания с отошедшей ударной волной. ЭВМ и 1, 1961, I, № 6, с. 1020-1050.

36. Дейч М.Е., Салтанов Г.А., Сивобород В.А. Численное исследование смешанных разрывных течений в решетках турбомашин, Изв.

37. АН СССР, "Энергетика и транспорт", 1979, № 2, стр. 135-142.

38. Численное решение многомерных задач газовой динамики, Под ред. С.К. Годунова, М., Наука, 1976.

39. Шишкин Д.А. Исследование аэродинамических характеристик сопловых турбинных решеток на влажном паре Автореферат канд. диссертации, 1970, МЭИ.

40. Тищенко A.A. Экспериментальное исследование конденсационной нестационарности и волновой структуры околозвуковых и сверхзвуковых потоков пара в соплах и в решетках турбин, Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 1984. 18 с.

41. Степанов Г.Д. Гидродинамика решеток турбомашин, М.,1963.

42. Дейч М.Е. »Филиппов Г.А., Салтанов Г.А., Лаухин Ю.А., Сивобород В.А. Исследование фазных превращений в вихревых течениях перенасыщенного пара, изв. АН СССР, Энергетика и транспорт, 1972, J* 2, с. 160-166.

43. Ривкин С.Л., Александров A.A. Теплофизические свойства воды и водяного пара, М., "Энергия", 1980 424 с.

44. Тетера И.П. Исследование двухфазного пограничного слоя с поверхностью раздела фаз в слабоградиентном потоке. Автореферат канд. дисс. М.: МЭИ, 1980 18 с.

45. Кобец Г.Ф. Объяснение эффекта Томса анизотропией вязкости раствора. "НМТФ", 1969, В I, с. I07-III.

46. Повх И.А., Ступин A.B. О влиянии упругости растворов на снижение сопротивления. "ПМТФ", 1972, № I, с. 63-68.

47. Глуевич Ю.А. К модели снижения сопротивления при введении частиц в турбулентный поток вязкой жидкости. Изв. АН СССР, МИГ, 1970, № 2, с. 114-120.

48. Баренблатт Г.И. Об одном возможном механизме влияния малых добавок высокомолекулярных соединений на турбулентность. "ПЛЕТФ", 1965, Й5, с. 147-148.

49. Дейч М.Е., Самойлович Г.С. Основы аэродинамики осевых турбомашин, М., "Маниностроение", 1959.

50. Пащенко A.A. и др. Гидрофобизация, Киев, "Наукова дума",1973 г.

51. Зимон А.Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия,1974 416 с.

52. ЩегляваСА.В. Паровые турбины. М.: Энергия, 1976, 368 с.

53. Трояновский Б.М. Турбины для а омных электростанций "Энергия", 1978, 231 с.

54. Филиппов Г.А., Поваров O.A., Пряхин В.В. Исследование и расчеты турбин влажного пара. Под ред. М.Е. Дейча, М., "Энергия", 1973, 232 с.

55. Филиппов Г.А., Поваров O.A. Сепарация влаги в турбинах АЭС. М., 1980, 320 с.

56. Кириллов Й.И., Яблонник P.M. Основы теории влажнопаро-вых турбин. "Машиностроение", 1968, с. 261.

57. Фадеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин, "Машиностроение',' 1974, с. 203.

58. Носовицкий А.И., Шлензер Г.Г. Газодинамика влажнопаровых турбиннных ступеней, "Машиностроение',' 1977, с. 181.

59. Дейч М.Е., Филиппов Г.А., Шишкин Д.А. Некоторые результаты исследования сопловых решеток на влажном паре. "Теплоэнергетика", 1969, № 9.

60. Гаркуша A.B. Аэродинамика проточной части паровых турбин. М., "Машиностроение", 1983, 184 с.

61. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные методы решений задач газовой динамики, М., Наука, 1980 351 с.

62. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика, М., 1984.383 с.

63. Исаченко В.П., Сотников С.А. и др. Теплообмен при кон-денссации водяного пара содержащего добавки ОДА, на горизонтальной трубе. "Теплоэнергетика", 1983, № 9, 10.

64. Холшевников К.В., Емин О.Н. Выбор параметров и расчет газовых турбин. М., 1958.

65. Дейч М.Е., Костгок^Салтанов Г.А., Филиппов Г.А., Сима-новский Г.П., Кукушкин А.Н. Анализ нестационарных процессов в проточных частях турбин влажного пара, "Теплоэнергетика", 1977, № 2.

66. Саввин В.И., костяк, Ю.Ф., Патин Б.М. и др. Турбины ХТГЗ на насыщенном паре для атомных электростанций " Теплоэнергетика", 1971, № 4.

67. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука,1977.го

68. Рис. 3 Улучшенный профиль сопловой решетки С 90-18 А Вл. для дозвуковых течений влажного пэра. къ°кб'

69. Рис. Улучшенный .профиль сопловой решетки С 90-22 А Вл. для дозвуковыхтечений влажного пэра. 5?2о\г/эрд.& &