автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Аэродинамические методы повышения экономичности и надежности элементов тепломеханического оборудования ТЭС

т »Л г

На правах рукописи

Р!3 ОД ' оят ш

Зарянкин Владислав Аркадьевич

Аэродинамические методы повышения экономичности и надежности элементов тепломеханического оборудования ТЭС

Специальность 05.04.12 Турбомашины и комбинированные турбоустановки

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

1 ьл г

Работа выполнена па кафедре Паровых н газовых турбин Московского -шергетнчсского института (технического унннеропета)

Официальные оппоненты

Академик РАН,

Доктор технических наук Г.Л. Филиппов

Кандидат технических наук Л.Л. Сидоров

Ведущее предприятие: АО Калужский турбинный завод

Защита состоится "20"_октября_2000 г. в 13 часов 15 минут.

в аудитории Б-407 на заседании диссертационного совета в Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250 Москва, Красноказарменная 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ). Отзывы на автореферат в количестве двух экземпляров, заверенные и скреплены печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250 Москва, Красноказарменная ул. Д. 14 Ученый Совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан " "________________2000 года

Ученый секретарь диссертационного Совета

Канд. техн. наук, с.н.с. -----/А.И. Лебедева/

^ЗбЪЛ-ОУЯ-о-/^

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Проблема надежности при одновременном обеспечении высокой экономичности тепломеханического оборудования тепловых электростанций является центральной и актуальность ее решения достаточно очевидна. При этом пути решения в значительной степени зависят от функционального назначения оборудования и могут быть самыми разнообразными.

Вместе с тем есть и некоторые общие факторы, определяющие и надежность и экономичность установок, где имеет место движение жидких, паровых и газообразных сред. К таким факторам относится режим течения в проточных частях указанных установок.

Здесь можно выделить течения сред, заполняющих все поперечное сечение канала без особых областей, нарушающих сплошность течения, и течения, где поток заполняет только часть проходного сечения (отрывные течения), или течения, где при полном заполнении канала образуются области с дискретными вихревыми структурами.

Как в первом, так и во втором случаях нарушение сплошности течения сопровождается повышенной вибрацией стенок каналов, повышенными шумами и резким возрастанием потерь энергии. Отсюда со всей очевидностью вытекает важность разработки некоторых общих методов, обеспечивающих полное заполнение потоком существующих проходных площадей либо восстанавливающих нарушенную сплошность течения.

Обе эти задачи на конкретных примерах решаются в представленной работе.

Цель работы - состоит в разработке и исследований простых устройств, позволяющих разрушать крупные вихревые образования с наименьшими потерями энергии для каналов различной формы, а так же в практическом использовании методов восстановления сплошности течения в поперечных сечениях проточных частей различных устройств и установок.

При этом решались следующие задачи:

- проведение сравнительного анализа эффективности вихрсгаситслей различных типов;

- разработка и исследование технологически простых пластинчатых вихрегаси-телей;

повышение эксплуатационной надежности шиберных задвижек и создание на их базе компактных регуляторов расхода для жидких и паровых сред; исследование и разработка новых тройников эжекторного типа с пониженным гидравлическим сопротивлением;

использование принципа сохранения сплошности течения при совершенствовании выхлопных патрубков паровых турбин и газовоздушного тракта регенеративного вращающегося воздухоподогревателя.

Научная новизна работы состоит:

в разработке новых пластинчатых вихрсгаситслей, обеспечивающих снижение динамических нагрузок на стенки каналов при умеренном возрастании гидравлических потерь;

в разработке и исследовании новых шиберных регуляторов расхода для жидких и паровых сред, обладающих высокой надежностью, пониженным уровнем шума и длительным межремонтным периодом;

- в создании эжекторных тройников;

- в разработке и практическом использовании мер, обеспечивающих равномерное распределение теплоносителей по всей торцовой поверхности регенеративных вращающихся воздухоподогревателей.

Практическая ценность и реализация результатов работы

На основе проведенных исследований показана практическая целесообразность использование вихрегасителей в проточных частях ряда теплотехнических устройств и установок с целью повышения их надежности, а в ряде случаев и экономичности.

Показана прямая связь между надежностью установок и характером движения жидкости в их проточных частях.

Разработана и успешно эксплуатируется новая шиберная задвижка, обеспечивающая возможность плавного регулирования расхода жидкости, исключающая заклинивание шиберов при ее эксплуатации, имеющую линейную зависимость расхода от подъема шибера, обеспечивающая почти десятикратное снижение вибрации выходного трубопровода и позволяющая, по меньшей мере, в два раза увеличить межремонтный период.

Разработаны новые типы эжекгорных тройников с пониженным сопротивлением и низким уровнем вибрации трубопроводов в месте слияния двух потоков.

На примере шиберных задвижек и выхлопных патрубков паровых турбин показана эффективность использования пластинчатых вихрегасителей.

Проведена модернизация газовоздушных патрубков регенеративных подофе-вателей, позволившая равномерно распределить теплоносители по теплопередаютей поверхности.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждаются:

- использованием современных средств исследования теплотехнического оборудования;

- результатами прямых промышленных испытаний нового и модернизированного оборудования;

- опытом эксплуатации оборудования, где были реализованы предлагаемые разработки.

На защиту выносятся;

- новые системы гашения вихревого движения;

- новая конструкция шиберных регуляторов расхода жидкости;

- новая конструкция тройников для слияния двух потоков;

- конкретные способы совершенствования аэродинамики газовоздушных патрубков регенеративных вращающихся воздухоподогревателей.

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались и докладывались:

- на международной конференции в г. Лодзь (Польша) в ноябре 1999 года.

- на международной конференции в г. Варшава (Польша) в декабре 1999 года.

- на международной конференции в г. Висла (Польша) в феврале 2000 года.

- на конференции в МЭИ в марте 2000 года.

- на заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ в мае 2000 года.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 3 доклада в сборниках международных конференций.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав и списка литературы из 63 наименований. Работа изложена на 188 страницах. Содержит 117 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении указывается, что во многих случаях низкая надежность теплотехнического оборудования, связанна с нестационарным характером движения среды в проточных частях установок, вызывающим при отсутствии вращающихся частей повышенную вибрацию оборудования. Эта нестационарность прямо связана с образованием в потоке дискретных вихревых областей, генерирующих низкочастотные пульсации, наиболее опасные с точки зрения надежности оборудования.

Отсюда вытекает цель проводимых исследований, состоящая в поиске мер, способствующих снижению интенсивности уже возникшего вихревого движения, и мер, обеспечивающих сохранение безотрывного течения в геометрически сложных каналах.

Первая глава посвящена краткому обзору основных особенностей вихревого течения идеальной и вязкой жидкости.

Среди этих особенностей особое внимание уделяется структуре вихревых шнуров и их частному виду - плоским вихрям, ядра, которых вращаются по закону твердого тела и представляющие собой аналог твердых тел, обтекаемых внешним потоком.

Для понимания роли вихревых образований, рассеянных по всей области течения жидкости, важно отметить способность вихревых ядер индуцировать собственное поле скоростей, которое, накладываясь на основное течение, создает сложную пространственную картину параметров потока.

Кроме того, вихревые ядра в зависимости от их интенсивности сносятся основным потоком с разными относительными скоростями. Соответственно при наличии в каналах постоянного генератора вихрей, поток приобретает ярко выраженный нестационарный характер, причем, чем больше скорость движения вихревых ядер отличается от скорости основного потока, тем ниже частота пульсаций параметров потока и выше амплитуда этих пульсаций.

Отсюда следует необходимость поиска мер, снижающих интенсивность вихревою движения до уровня, при котором скорость вихревых ядер мало отличается от скорости основного течения.

Наконец, из картины распределения скоростей и давлений в области плоского вихря следует, что резкое увеличение скоростей и падение давления на внешней границе вихревого ядра способствует при движении слабоперегретого или влажного пара выпадению вторичной влаги, которая может серьезно увеличить вероятность эрозийного износа обтекаемых поверхностей.

Во - второй главе рассматривается действительная картина течения в некоторых конкретных установках и устройствах, где отрыв потока и дискретное вихревое движение заметно снижает надежность и приводит к росту энергетических потерь.

Все рассмотренные объекты разделены на две группы. К первой - отнесены шиберные задвижки, выхлопные патрубки паровых турбин, решетки профилей тур-бомашин, где нельзя предотвратить образование вихревого движения.

Во - вторую группу включены патрубки регенеративных воздухоподогревателей, прямоугольные тройники трубопроводов, регулирующие клапана паровых тур-

бин, где повышенные потери и высокая вибрация конструкций обусловлена принятыми проектными решениями, не учитывающими аэродинамических требований.

Рассматривая шиберные задвижки, можно отметить, что к несомненным достоинствам этого типа арматуры относятся их компактность и простота конструкции. Однако, эти задвижки подвержены сильным динамическим нагрузкам, их запорные органы быстро изнашиваются, часто выходят из строя сальники и шпиндель, высока вероятность заклинивания шиберов.

Многие из указанных недостатков обусловленны вихревым характером течения жидкости за шибером. На рис. 1 показана типичная картина течения среды за стандартным шиберным регулятором расхода, который является мощным генератором дискретных вихревых образований.

Рис. 1

При этом в зависимости от степени открытия задвижки возможны схемы течения, как со стационарными вихревыми образованьями, так и с системой вихрей, сносимых основным потоком.

В обоих случаях наблюдаются сильные пульсации всех параметров потока, являющихся главным источником динамических нагрузок на все элементы задвижек.

Столь же неизбежным является вихревое движение пара в выхлопных патрубках паровых турбин, где поток, выходящий из верхней части последней ступени на пути к конденсатору совершает двойной поворот на 90°. В результате возникают два

мощных вихревых шнура, расположения которых в поперечном сечении патрубков подробно исследовалось Фадеевым И.П. (ЛПИ) и Касиловым В.Ф. (МЭИ).

В данном случае вихревое движете вызывает повышенную вибрацию корпуса патрубка, что при встроенных подшипниках снижает динамическую надежность ротора ЦИД, приводит к росту гидравлического сопротивления, а при больших скоростях на входе в патрубок является причиной эффекта "запирания", создает неравномерное поле скоростей ни выходе из патрубка, где локальные скорости существенно превышают среднерасходные. Соответственно растет паровое сопротивление конденсатора и увеличивается переохлаждение конденсата.

Отрицательные последствия неизбежного вихревого движения отмечаются и во всех работах, посвященных исследованию решеток профилей турбомашин.

Здесь выделяют вихревое движение, обусловленное особенностями движения потока в криволинейных каналах, ограниченной высоты, и вихревое движение, возникающее при натекании потока на входные кромки (подковообразный вихрь).

В данном случае использовались достаточно разнообразные методы, направленные на снижение интенсивности вихревого движения и, если удавалось снизить интенсивность вихрей, то одновременно всегда фиксировалось и снижение потерь энергии.

В качестве примера отрицательного влияния вихревых образований при возникновении отрыва потока от гладких стенок рассматривается течение в патрубках регенеративного воздухоподогревателя.

Конструкция такого патрубка по газовой стороне показано на рис. 2а, а поле скоростей за гам изображено на рис. 26.

Здесь происходит отрыв потока от выпуклого обвода патрубка, и только часть геометрической площади в выходном сечении оказывается занятой потоком. В области отрыва устанавливается замкнутое циркуляционное течение, препятствующее растеканию газа по всей торцовой части теплопередающей поверхности.

Рис. 2а

Пот* «сотта*

в Ч1.ИИ ими, по .им Б (РВИ-»». Т1-МП 344А1

Рис. 26

Достаточно характерным примером возникновения вихревого течения является случай слияния под прямым углом двух потоков, осуществляемого в области прямоугольных тройников. Подобный подвод потока к прямолинейно движущейся жидкости приводит к образованию классической криволинейной поверхности разрыва скоростей, которая является впоследствии генератором вихревого движения. При слиянии мощных потоков жидкости в длинных трубопроводах возникает столь сильные

динамические силы, что вся система начинает раскачиваться с очень большой амплитудой.

На основе проведенного рассмотрения характера течения в различных установках формулируется задача проведенной работы, которая сводится к поиску простых и эффективных способов гашения вихревого движения и использование этих мер для повышения надежности и эффективности конкретных теплотехнических объектов.

В третьей главе проведено исследование вихрегасителей различного типа и формы. На рис. 3 показаны нсследованные сетчатые (рис. За) и пластинчатые (рис. 36) аэродинамические фильтры.

О

иишшшш

шпини

Рис. За

Рис. 36

Генератором вихрей являлся плоский подвижный шибер, установленный в цилиндрической трубе. Вихрегасители располагались от шибера на расстоянии, равном половине диаметра трубы.

Все исследования проводились при постоянном давлении на входе в трубу и различном положении шибера.. Величина подъема шибера выражалась в долях от диаметра трубы, а все измеренные расходы относились к расходу через трубу при полном открытии шибера при отсутствии вихрегасителя.

Расходные характеристики (! = /(л), приведены на рис. 4, показывают, что наибольшим сопротивлением обладают сетчатые вихрегасители (кривые 2 и 3), снижающие расход при полном открытии шибера более чем в 2 раза.

Минимальным сопротивлением обладает кооксиальный пластинчатый фильтр (кривая 4), а фильтр из продольных пластин (кривая 5) занимает промежуточное положение и при открытии шибера на 60% (наиболее характерное положение задвижки) снижает расход на 15%.

С1/С0 1.0

I 1 I 1 I 1 I 1 I

I 1 I 1 I 1 I 1 1ь

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Рис. 4

Для окончательного выбора типа вихретсителя все они сравнивались между собой по степени снижения виброперемещений выходного участка трубы. Данные этих испытаний ввиде зависимости относительной амплитуды виброперемещений от относительного расхода через шибер показаны на рис. 5 (в качестве масштаба для из-мереных амплитуд использовалась амплитуда виброперемещений трубопровода без вихрегасителей (кривая 1 на рис. 5)).

Как и следовало ожидать наибольший эффект был зафиксирован при использовании сетчатых фильтров (кривая 2 иЗ), где уровень вибрации снизился на 50 - 70%.

Кооксиальный вихрегаситель оказался наименее эффективным, обеспечивая максимальное снижение относительной амплитуды только на 15% (кривая 4).

0 8 • 0.7 • 06 ■ К 0.5 ■ 0.4 ■

0.1 0.0-

- - - — -----

— — —

\

------- —

X \

--- —. V®— -

- « \ — — —

------ — 4х-

— — —-.- —

ч —

---- - чЗ

---- ------ — ■ — ---- -- .—

---- ----- -----

— |

1 1

0.0

0 1

04

в/со Рис. 5

05

0.6

Ов

По двум сравнительным характеристикам лучшим оказался вихрегаснтель из параллельных пластин, имеющий удовлетворительную расходную характеристику (кривая 5 на рис. 4) и снижающий на опытной установке амплитуду пульсаций до 40% от первоначального уровня.

Этот тип в их ре гасителя использовался нами далее при совершенствовании шиберных задвижек и выхлопных патрубков паровых турбин.

Конкретные результаты совершенствования оборудования с неизбежным вихревым характером течения, рассматривается в четвертой главе диссертации.

Основным объектом исследований являлся шиберный регулятор расхода. Отечественная промышленность не выпускает таких регуляторов для диаметров трубопроводов свыше 400 мм. Импортные клапана для больших размеров трубопроводов, типа шаровых клапанов Клингера, имеют высокую стоимость, очень большие габариты и часто не удовлетворяют требованиям плавного изменения расхода.

В этой связи на базе стандартных клиновых задвижек был разработан новый шиберный регулятор расхода, успешно эксплуатируемый на ТЭЦ-26 АО "Мосэнерго" в течение двух лет.

Конструкция новой задвижки показана на рис. 6. Основным ее элементом является шибер, выполненный ввиде двух дисков. Левый диск 1 является запорным, а

0 2

0 3

0 7

правый - 2 совместно с профилированным седлом 3 обеспечивает линейную зависимость расхода от подъема шибера. Оба диска скреплены между собой тремя штифтами 4, позволяющим и правому диску свободно смещаться в осевом направлении.

л—) Л-Л.

Рис. 6

Подъем шибера обеспечивает пластина 5, расположенная между дисками, и подъемный цилиндрический клин 6, проходящий на скользящей посадке через пластину 5. Пластина 5 с клином 6 имеет свободный ход, равный 10 мм.

При подъеме пластины 5 в пределах свободного хода клина 6 образуется осевой зазор между клином и левым диском. Давлением среды левый диск отжимается от седла и далее шибер скользит только по поверхности правого седла, что исключает возможность задиров поверхности запорного диска. Традиционные шпонки в поперечном направлении, соединенные с пластиной 5 и воспринимающие обычно осевые усилия, в данном случае гарантируют отсутствие перекоса шибера при его больших подъемах.

Для уменьшения кавитационного износа кромок шиберов они выполнены скругленными и на их поверхности профрезерованы узкие продольные канавки.

Установка рассматриваемой задвижки на трубопровод рециркуляции сетевой воды позволила плавно регулировать расход, и снизило усилие, необходимое для подъема шибера, но характер течения за шибером не изменился. В результате была

I I

обнаружена высокая вибрация на напорном трубопроводе и шум, соответствующий шуму обычных клиновых задвижек.

Проведенные нами подробные исследования задвижки подтвердило наличие линейной зависимости расхода от подъема, но виброперемещения на напорном трубопроводе достигали 1300 - 1400 мкм.

В этой связи при первой возможности за профилированным седлом 3 был установлен вихрегаситель 8, представляющий собой толстую диафрагму с параллельными щелями.

Полученный эффект намного превысил эффект пластинчатого вихре гасителя, который мы испытывали в лабораторных условиях. Уровень виброперемещений снизился на порядок и не превышал 120 мкм. Одновременно почти на 30Д6 уменьшилось и акустическое излучение.

Аналогичный по конечному эффекту результат был получен и при использовании пластинчатого вихрегасителя в выхлопных патрубках паровых турбин.

1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

Рис. 7

Здесь при установке решетки пластин вниз от горизонтального разъема патрубка так же произошло резкое снижение вибрации корпуса и одновременно несколько (на 2 - 5%) снизились потери энергии. Подробно проблема совершенствования выхлопных патрубков рассматривалась Чусовым С.И., а мы приведем только за-

к.

висимость относительной амплитуды виброперсмещений на корпусе модели патрубка от безразмерной скорости потока Х2 на входе в патрубок (рис. 7). Здесь за базу для сравнения выбрана вибрация корпуса патрубка без ребер жесткости (кривая 1). При установке в корпус стандартных силовых ребер и ребер жесткости амплитуда виброперемещений снизилось на 20 - 25% (кривая 2). Существенно больший эффект был получен при установке противовихревой решетки, с квадратными ячейками.

В этом случае амплитуда виброперемещений снизилась в 2 раза (кривая 3).

Наибольший эффект был достигнут при установке в корпус патрубка пластинчатого вихрегасителя с пластинами, ориентированными вдоль оси турбины (кривая 4), вызвавший снижение вибрации в 2,5 раза.

Таким образом, приведенные результаты наглядно показывают, что вибрационное состояние конструкции определяется в первую очередь характером течения среды. Меняя этот характер можно добиться существенно большего результата, чем простым увеличением жесткости конструкции при сохранении самой причины динамических нагрузок.

Далее в порядке постановки рассмафивиоси и способ снижении ингснсивно-сти вихревого движения в решетках профилей турбомашин за счет изменения формы входных кромок профилей. Показано, чю при выполнении на входных кромках V -образного выреза возможно в области больших скоростей получить заметное уменьшение потерь энергии.

Пятая глава посвящена проблеме снижения потерь в патрубках регенеративных воздухоподогревателей и в прямоугольных тройниках, обеспечивающих слияние двух потоков.

В данном случае вихревое движение обусловлено либо отрывом потока от гладких стенок (патрубки), либо простейшим видом смешения двух различных потоков (тройники).

Подробные исследования исходных модельных патрубков РВП показали наличие в выходных сечениях больших отрывных зон с установившимся циркуляционным течением среды. В результате при натекании потока на теплопередающую поверхность часть ее оказалась в области очень малых скоростей. Этот же результат был получен и при исследовании полей скоростей на действующем РВП-98.

Для выравнивания выходного поля скоростей исследовались различные варианты установки специальных направляющих поверхностей. Было показано, что для предотвращения отрыва потока от выпуклых обводов патрубков достаточно использовать только одну такую добавочную поверхность. При ликвидации отрыва потока удалось получить сравнительно равномерное распределение газа по всей поверхности подогревателя.

Аналогичный результат был достигнут и по воздушной стороне.

Проведенные изменения в конструкциях воздушных и газовых входных патрубков заметно улучшили интегральные характеристики подогревателя. Его сопротивление снизилось примерно на 15%, а температура горячего воздуха увеличилась на 6 °С.

Вторым объектом, рассмотренным в пятой главе, явились прямоугольные тройники. Их исследование проводилось как на плоских моделях, что позволяло более наглядно рассмотреть процесс смешения двух потоков, так и на модели стандартных прямоугольных тройников.

1550

450

и

300 1

- о

П П П X» щ » ХХХХХХХХХХХХ XXX

120(1

О!

40 _ !_

4,

ппимш111Н1!>1>1нин

"""I---!-

0(}00

Рис.8

В качестве итегральных характеристик использовались коэффициенты потерь энергии в прямом и боковом проходах, а так же величины виброперемещений напорного трубопровода.

Основная идея в данном случае сводилась к поиску таких конструктивных решений, которые смогли бы ликвидирован, поверхность раздела двух взаимодействующих потоков.

Проведенные исследования различных вариантов организации течения в тройниках позволили разработать новый эжекторный тройник, конструкция которого приведена на рис. 8. Его сопротивление по прямому проходу в зависимости от величины расхода в боковом подводе снизилось в 1,3 - 1,9 раза по сравнению со стандартной конструкцией, а сопротивление в боковом подводе уменьшилось примерно на 20%.

Одновременно, как и во всех предшествующих случаях, снижение интенсивности вихревого движения привело к заметному (в 1,5-2 раза) снижению амплитуд виброперемещений напорной части трубопровода.

Выводы

1. Проведенный анализ показал, что при возникновении вихревого движения с дискретными вихревыми образованиями или вихревыми шнурами нарушается стационарность течения, кризисным образом нарастают потери энергии и гидравлическое сопротивление и резко увеличиваются динамические нагрузки на всех поверхностях, ограничивающих поток..

2. Среди исследованных способов разрушения вихревого движения наиболее эффективными оказались аэродинамические фильтры, образованные системой параллельных пластин. Такие пластинчатые противовихревые решетки при умеренном добавочном сопротивлении обеспечивают эффективное дробление крупных вихревых образований и резко уменьшают динамические нагрузки на все элементы теплотехнического оборудования, где происходит движение жидких, газообразных или двухфазных сред.

3. В случае, когда конструктивные особенности оборудования приводят к неизбежному генерированию вихревого движения, для повышения надежности установок оказывается целесообразным широкое использование вихрегасителей. Экономическая

эффективность их применения определяется тем, насколько добавочные потери, вносимые вихрегасителями, перекрывается конечным положительным результатом, связанным с расширением эффективных проходных сечений при разрушении вихревых образований.

Если вихревое движение возникает в результате неудачных конструктивных решений, для его предотвращения необходим поиск специальных мер, обусловленных конкретными условиями течения рабочих сред.

4. Проведенные исследования позволили создать новый шиберный регулятор расхода жидкости, обладающий высокой надежностью, линейной зависимостью расхода от подъема шибера и низкими виброаккустическими показателями.

Двухлетняя эксплуатация новой шиберной задвижки подтвердила все эти характеристики.

5. Широкое использование пластинчатых вихре гасителей в выхлопных патрубках позволило не только снизить вибрацию корпуса и улучшить динамическое состояние всего цилиндра низкого давления, но и уменьшить вероятность заброса влага на рабочие лопатки последней ступени, снизить локальные скорости пара при входе в конденсатор, уменьшить его паровое сопротивление и, соответственно, снизить переохлаждение конденсата.

6. В результате проведенного исследования и совершенствования газовоздушного тракта РВП удалось на 10-12% снизить гидравлическое сопротивление, обеспечить полное заполнение торцовых поверхностей теплопередающей поверхности потоком, что позволило на 10-15°С увеличить нагрев воздуха.

7. Разработана и исследована новая конструкция эже^горного тройника, позволяющая в 2 раза снизить амплитуду колебаний тройника и на 90% уменьшить сопротивление прямого прохода при максимальных расходах жидкости.

8. Предложен новый способ снижения интенсивности подковообразных вихрей в турбинный решетках за счет У-образного выреза на входных кромках профилей и показана принципиальная возможность снижения потерь энергии в коротких решетках за счет использования входных кромок указанного вида.

Основные материалы диссертации изложены в следующих работах.

1. Зарянкин Л.Е., Парамонов А.Н., Чусов С.И., Зарянкин В.А. Некоторые методы уменьшения вихревого движения и практического использования вихре гасителей.//4 конференция по проблемам исследования тепловой энергетики: Тез. докл. - Варшава, 1999. - С. 255 - 265. - (на англ. яз.)

2. Зройчиков H.A., Ломакин Б.В., Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Симонов Б.П. Интенсификация теплообмена в воздушных регенеративных подогревателях. //Вторая российская национальная конференция по теплообмену: Том 6 Интенсификация теплообмена - М., 1998 - С. 114 - 117.

3. Зарянкин А.Е., Парамонов А.II., Чусов С.И., Зарянкин В.А., Есенек К. Моделирование течения в выхлопных патрубках паровых турбин и некоторые результаты испытаний модельных патрубков.//Вестник МЭИ - 2000 - №4 - С. 26 - 30.

4. Серебряников Н.И., Зарянкин А.Е., Зройчиков H.A., Ломакин Б.В., Симонов Б.П., Зарянкин В.А. Применение новых теплопередакмцих поверхностей для модернизации воздушных регенеративных подогревателей.//Теплоэнергетика - 1999 - №12 - С. 36 - 40.

Печ. л. _Тираж [СС Заказ Здб

Типография .МЭИ, Крагиокрззрмснилн,

Введение.

1. Вихревое движение идеальной вязкой жидкости.

1.1. Вихревое движение идеальной жидкости.

1.2. Возникновение вихрей в реальной жидкости.

2. Особенности течения жидкости в некоторых элементах теплотехнического оборудования ТЭС.

2.1. Особенности движения жидкости в шиберных задвижках.

2.2. Движение сред в трубопроводных системах.

2.3. Особенности течения пара в выхлопных патрубках паровых турбин.

2.4. Аэродинамические проблемы патрубков теплообменных аппаратов.

2.5. Вихревые течения в решетках профилей турбомашин.

2.6. Картина течения пара в регулирующих клапанах паровых турбин.

2.7. Постановка задачи исследования.

3. Разработка и исследование технических вихрегасителей.

3.1. Экспериментальный стенд и методика эксперимента.

3.2. Исследуемые модели вихрегасителей.

3.3. Результаты исследования вихрегасителей.

3.4. Исследования и оценка оптимального расстояния между шибером и пластинчатым вихрегасителем.

4. Совершенствование теплотехнического оборудования путем гашения вихревого движения.

4.1. Конструктивная разработка новых регуляторов расхода шиберного типа.

4.2. Промышленные испытания нового шиберного регулятора расхода со щелевым вихрегасителем.

4.2.1. Общая характеристика проблемы.

4.2.2. Методика испытаний клапана рециркуляции.

4.2.3. Результаты расходных испытаний нового клапана рециркуляции.

4.2.4. Результаты вибрационных испытаний нового регулятора расхода в промышленных условиях.

4.3. Использование противовихревых решеток в выхлопных патрубках паровых турбин.

4.4.0 снижении вихревого движения в решетках профилей турбомашин.

5. Гидроаэродинамическое совершенствование патрубков РВП и прямоугольных тройников трубопроводов.

5.1. Исследование и совершенствование газовоздушного тракта РВП-98.

5.1.1. Результаты исследования патрубка подвода горячих газов к поверхности теплообменника.

5.1.2. Результаты исследования патрубка подвода холодного воздуха.

5.2. Исследование и разработка новых конструкций прямоугольных тройников для сетевых трубопроводов.

5.2.1. Экспериментальная установка и объекты исследования.

5.2.2. Результаты исследования тройников.

Проблема повышения надежности и экономичности теплотехнического оборудования тепловых электростанций всегда актуальна, независимо от достигнутого уровня развития расчетных методов, методов экспериментальных исследований, технического совершенствова производства и степени автоматизации процессами управления.

Однако, по мере повышения общего технического уровня резко снижаются возможности повышения экономичности и надежности оборудования, так как сокращаются неиспользованные резервы его совершенствования. В этих условиях традиционные решения уже не могут дать ощутимых результатов, либо эти результаты достигаются за счет очень больших материальных затрат.

По указанным причинам в предлагаемой работе сделана попытка поиска нетрадиционных решений, позволяющих без крупных дорогостоящих конструктивных изменений добиться конкретных практических результатов.

В предшествующих работах [1,2,3] уже указывалось, что проблема надежности во многих случаях прямо связана с характером течения потока в каналах, устройствах и установках, причем особо отмечались отрицательные последствия отрыва потока от стенок с последующим образованием дискретных вихревых образований.

Подобные течения характеризуются ярко выраженным нестационарным изменением всех параметров потока не только в зоне отрыва, но и в областях, расположенных до него. При этом резко возрастают динамические нагрузки на все элементы конструкции, где возникают указанный вид течения. Насколько велики могут быть эти нагрузки можно судить по исследованиям пульсаций давлений в клапанной коробке мощной паровой турбины, проведенной в работе [4], где их абсолютная амплитуда достигала 2,5 МПа при начальном давлении пара 24 МПа.

Отсюда ясно, что во многих случаях проблема динамической надежности не может быть решена без решения сугубо аэродинамических задач, направленных на стабилизацию течения в каналах различной формы. При этом одновременно решается и задача экономичности оборудования.

Рассматривая возможные пути стабилизации потока, все объекты можно разделить на две группы. К первой относятся каналы, где вихревое движение является неизбежным следствием функциональных свойств этих каналов.

Вторая группа объединяет проточные части установок с отрывным характером течения, обусловленным либо ошибками проектирования, либо заданными условиями компоновки.

В первом случае речь может идти либо об ослаблении интенсивности вихревого движения, либо о разрушении уже сложившегося движения. Соответственно здесь главным образом решается задача снижения динамических нагрузок, а суммарный эффект по величине потерь энергии может быть как положительный, так и отрицательный.

Во втором случае главным образом решается проблема экономичности, а повышение надежности является следствием снижения энергетических потерь.

В представленной работе, состоящей из 5 глав, рассматриваются как общие аспекты решения отмеченных задач, так и конкретные решения для ряда объектов теплотехнического оборудования.

При этом следует отметить некоторые особенности представленной работы.

Во - первых, проблеме разрушения вихревого движения в научной литературе уделено весьма мало внимания и здесь по существу можно сослаться только на работу И.Е. Идельчика [16], где для стабилизации вихревого движения использовались плоские сетки. Отсюда традиционный обзор опубликованных работ заменен обзором типов вихревого движения в конкретных установках.

Во - вторых, в связи с разнотипностью исследованных объектов и использованием для измерений стандартной аппаратуры вопросы измерений и обработки опытных данных разнесены по соответствующим разделам диссертации.

Структурно диссертация состоит из пяти глав.

Первая глава посвящена общим закономерностям вихревого движения в идеальной и реальной жидкостях, где подчеркивается особая роль вихревых ядер, вызывающих нарушения сплошности течения и являющихся главной причиной возникновения низкочастотных пульсаций в потоке.

Во второй главе рассматриваются особенности течения жидкости в шиберных задвижках, регулирующих клапанах, выхлопных патрубках, патрубках регенеративных воздухоподогревателей, тройниках, решетках профилей турбомашин.

Указываются, что во всех рассматриваемых случаях генерируется развитое вихревое движение с дискретными вихрями или вихревыми шнурами, резко снижающими надежность установок и их экономические показатели.

В третей главе основное внимание уделено разработке и исследованию вихре-гасителей, способных с наименьшими потерями рассеивать уже сложившиеся вихревые структуры. Как показали проведенные исследования, в качестве такого вихрега-сителя наиболее целесообразно использовать пластинчатые и щелевые решетки, определенным образом ориентированные по отношению к вихревым структурам.

Конкретные принципы использования указанных вихрегасителей составляют содержание четвертой главы. В качестве объектов, где использование противовихре-вых решеток или мер, снижающих интенсивность вихревого движения, привело к существенному положительному эффекту, рассматривается новая шиберная задвижка, способная работать как регулятор расхода, выхлопные патрубки и решетки профилей турбомашин. Во всех рассмотренных случаях удалось существенно (для шиберных задвижек в 10 раз) снизить уровень вибрации при одновременном снижении потерь энергии.

Пятая глава работы посвящена мерам предотвращения возникновения вихревого движения в патрубках регенеративного вращающегося воздухоподогревателя и в прямоугольных тройниках.

Проведенные исследования и разработанные на их основе меры позволили практически равномерно распределить теплоносители по поверхности регенератора, снизить сопротивление прямоугольных тройников и уменьшить в два раза виброперемещения трубопроводов, примыкающих к тройникам.

Вся работа выполнялась на кафедре Паровых и газовых турбин МЭИ и на ТЭЦ-26 АО "Мосэнерго", сотрудникам которых автор выражает искреннею благодарность за большую помощь при выполнении настоящей работы.

Заключение

1. Проведенный анализ характера течения в объектах различного функционального назначения, показали, что общим для всех них является развитое вихревое движение, вызывающее повышенные энергетические потери, увеличение гидравлического сопротивления и повышенную вибрацию как самих установок, так и примыкающих к ним трубопроводов.

2. Практически все установки, где имеет место движение жидких или газообразных сред, можно разделить по принципу генерации вихревого движения на две группы.

К первой группе следует отнести объекты, где генерация вихревого движения жидкости обусловлена отрывом потока от гладких поверхностей, что связано в основном с неудачным конструкторским решением или вызвано компа-новачными ограничениями плоскостей течения.

Вторая группа объединяет объекты, где вихревое движение обусловлено физическими причинами и является неизбежным следствием проявления физических законов.

Соответственно и меры борьбы с вихревым движением должны соответствовать причинам, вызывающим это движение.

3. В результате исследования различных сетчатых и пластинчатых вихрегасителей установлено, что для разрушения крупных вихревых образований для практических целей наиболее целесообразно применять решетку параллельных пластин, установленных с шагом 1=0,1 - 0,15Ь (где Ь -характерный линейный размер поперечного сечения канала) на относительном расстоянии 1 от источника вихреобразования равном / -ИЪ- 0,22 + 0,3.

4. Использование пластинчатых вихрегасителей в разработанной шиберной задвижке, предназначенной для регулирования расхода обратной сетевой воды на ТЭЦ-26 АО "Мосэнерго", позволило снизить вибрацию в напорном трубопроводе в 10 - 11 раз по сравнению с обычной задвижкой без вихрегасителя.

Применение разработанных пластинчатых вихрегасителей в выходных патрубках паровых турбин не только обеспечило снижение вибрации на корпусе патрубка в 3 - 3,5 раза, но и обеспечило некоторое снижение потерь энергии.

1. Зарянкин А.Е., Чериоштан В.И. "Аэродинамические принципы проектирования регулирующих клапанов паровых турбин" Теплоэнергетика №1 1997.

2. Шалхуб Т.В. "Разработка методики расчета потерь в диффузорных каналах турбомашин с оценкой влияния вибрации стенок на эти потери" Автореферат диссертации М. 1986.

3. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. "Новые регулирующие клапана паровых турбин, их характеристики и опыт эксплуатации" Теплоэнергетика 1996 №1 с. 18 22.

4. Куменко А.И. "Совершенствование расчетно-экспериментальных методов исследования динамических характеристик турбоагрегатов и их элементов" Автореферат диссертации М. МЭИ 1999 с. 38.

5. Мельников А.П. "Основы теоретической аэродинамики" ЛКВВИА 1953 817 с.

6. Фабрикант Н.Я. "Аэродинамика" Наука М. 1964 814 с.

7. Аржаников Н.С., Мальцев В.Н. "Аэродинамика" Оборонгиз 1952.

8. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. "Теоретическая гидромеханика" Госиздательство ТТЛ М. 1955.

9. Дейч М.Е. "Техническая газодинамика" Энергия М. 1974.

10. Ю.Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. "Гидрогазодинамика" Энергоиздат 1984.

11. П.Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. "Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин" Энергия М. 1970.

12. Арматура энергетическая. Каталог АО "Чеховский завод энергетического машиностроения" ЦНИИ информации М. 1997.

13. Благов Э.Е., Ивницкий Б.Я. "Дроссельно-регулирующая арматура ТЭС и АЭС" Энергоатомиздат 1990.14. "Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости" Под общей редакцией Гольдштейна С. ГИ ИЛ М. 1948 406 с. т. 1,2.

14. Маджирски В. "Хидродинамика" Техника София 1979.

15. ИдельчикИ.Е. "Гидравлическое сопротивление" Госэнергоиздат 1954.

16. Повх И.Л. "Техническая гидромеханика" Машиностроение Л. 1976.

17. Nippert H. Uber den strommungsverlust in gekrumten kanalen, Forschungsarbeiten anf d. Geb. d. ing. wes. 1929, h. 320.

18. Фадеев И.П. "Физическая картина течения пара в выхлопном патрубке судовой паровой турбины" Научно-технический информационный бюллетень ЛПИ 1958 №10.

19. Касилов В.Ф., Денисов В.Н., Зин Еддин X. "Исследование средств стабилизации течения в каналах выходных патрубков цилиндров низкого давления паровых турбин" Вестник МЭИ №3 1994.

20. Касилов В.Ф., Денисов В.Н. "Эффект запирания выходных патрубков ЦНД паровых турбин" Теплоэнергетика 1993 №2 с. 46 49.22.3арянкин А.Е., Жилинский В.П. "О кризисных явлениях в выхлопных патрубках" Известия ВУЗ "Энергетика" №4 1977.

21. Мигай В.К., Гудков Э.И. "Проектирование и расчет выходных диффузоров турбомашин" Машиностроение JI. 1981.

22. Жилинский В.П. "Исследование выхлопных патрубков паровых турбин при около звуковых скоростях на входе" Автореферат диссертации. М. МЭИ 1978 23 с.

23. Шабан Ф. Автореферат кандидатской диссертации М. МЭИ 1993.

24. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е., Филипов Г. А., Зацепин М.Ф. "Метод повышения КПД ступеней турбин с малыми высотами лопаток" Теплоэнергетика №2 1960.

25. Зарянкин А.Е. "Концевые потери в сопловых аппаратах радиальных турбин" Известия АН СССР ОТН Энергетика и автоматика №2 1960.

26. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. "Повышение эффективности турбинных активных решеток малой высоты" Теплоэнергетика №8 1960.

27. Майорский Е.В., Филипенко В.А. "О влиянии входных участков сопловых профилей на вторичные перетекания" Вестник МЭИ №3 1994.

28. Singh G., Walker P. Y., Haller B.R. Development of short Height stages. Proc. Lst. Conference on "Turbomachinery Fluid Dynamic and Thermodynamic Aspects" -Erlanger 1995 - p. 1/9.

29. Тапшпа T., Nagao S., Sakamoto T., Kawasakis S. Aerodynamic development of advanced steam turbine blades PWR Joint Power generation Conference ASME - (p. 367/374) Proc. 1995

30. Дейч M.E., Самойлович Г.С. "Основы аэродинамики осевых турбомашин" Машгиз 1959.

31. Дейч М.Е. "К вопросу о концевых потерях в направляющих каналах паровых турбин" Советское котло-турбостроение №6 1945.

32. Singh G. "Development of Three-Dimensional Stage Viscous Time Marching Method for Optimisation of Short Height Stages" GEC Alsthom.

33. Богомолов E.H., Лебедев B.B. "Визуальные исследования пространственного пристеночного течения на входе в турбинную решетку" Известия ВУЗ. Энергетика 1988 №4 с. 64 68.

34. Дейч М.Е., Дейлер Ш., Коршуюв Б.А. "Экспериментальное исследование сопловой решетки с уменьшенными концевыми потерями" Теплоэнергетика 1994 №10 с. 39-42.

35. Фролов В.В. " Совершенствование проточной части цилиндра сверхзвукового давления турбин высоких параметров пара " Теплоэнергетика. 1996 №10 с. 75-77.

36. Робожев А.В. "К вопросу снижения потерь давления в регулирующих клапанах паровых турбин" Тр. МЭИ 1963 Вып. 47 с. 117 127

37. Камырин Б.И. "О характере движения пара в клапанной коробке" Энергомашиностроение 1959 №11 с. 38-41.

38. Дмитриев С.С. "Исследование характеристик турбулентного пограничного слоя в связи с отрывом в диффузорном канале" Вестник МЭИ 1994 №3 с. 11 15.

39. Прандтль Л. "Гидроаэродинамика"

40. Шлихтинг Г. "Теория пограничного слоя" М. Наука 1969.

41. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Г. "Аэродинамика отрывных течений" М. Высшая школа. 1988 348с.

42. Лойцянский Л.Г. "Механика и жидкости и газа" М. Наука 1979.

43. Прандтль Л., Титьенс О. "Гидроаэромеханика" ч. 1 ОНГИ 1932.

44. Грибин В.Г. "Разработка методов повышения эффективности диффузорных элементов турбомашин" Автореферат кандидатской диссертации МЭИ 1984.

45. Самарин A.A. "Вибрации трубопроводов энергетических установок и методы их устранения" М. Энергия 1979. 288 с.

46. Прохаевко Л.С. "Гидродинамика и расчет кавитационных смесителей непрерывного действия" Автореферат диссертации Пермь 2000.

47. Благов Э.И. и др. "Исследования на гидромодели течение среды в шиберном канале" Энергомашиностроение №9 1981.

48. Черноштан В.И. "Пути совершенствования энергетической арматуры ТЭС с целью повышения ее надежности и снижения акустического излучения" Автореферат диссертации М. 1998.

49. Luniewich В., Gardzilewicz A., Zariankin A., Mazcinkowski S., Solodov V.G., Sowa R., Karbowski M. Modernization of the 200 MW turbine exhaust hood modeling and digging in fluid flow. Machinery 1997. Wydawnictwo IMP PAN.190

50. Gardzilewicz A., Solodov V.G. Spatial unsteady flow pattern in an old-design 200 MW turbine exhaust hood and ways of its improvement Cieplne Maszyny Przeply-wowe Turbomachinery Politechnika Lodzka 1999 №115.

51. Gardzilewicz A., Lampart P., Luniewich В. О kilku zastosowaniach numerycznej mechaniki plynow w procesuch modernizacji i doskonalenia akcyjnych turbin parowych Problemy Badawcze Energetyki Cieplnej Mechanika z. 181 Warsawa 1999 c. 69 87.

52. Зарянкин A.E., Симонов Б.П., Парамонов A.H., Чусов С.И. "Аэродинамическое совершенствование выхлопных патрубков турбомашин" Теплоэнергетика №1 1998 г.

53. Гильденблат М.Я., Прузовский A.M., Халтурина Н.В. "Экспериментальные исследования систем коллекторов канального реактора" Тр. Гидропроекта 1975 г. Вып. 41 с. 139 146.