автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Экспериментальное исследование образования и течения жидких пленок в элементах турбинных ступеней

Основные обозначения

Введение

Глава 1. Современное состояние вопроса и постановка задачи исследований

Глава 2. Экспериментальные стенды, методики проведения экспериментов, оценка погрешности измеряемых величин

2.1. Экспериментальный стенд ЭТ-ЗМ

2.1.1. Экспериментальная турбина ЭТ-ЗМ, ее конструкция

2.1.2. Тепловая схема турбоустановки ЭТ-ЗМ и схема измерений

2.1.3. Проточная часть экспериментальной турбины и система измерений

2.2. Экспериментальный стенд ЭТ

2.2.1. Экспериментальная турбина ЭТ

2.2.2. Тепловая схема экспериментального стенда ЭТ

2.2.3. Исследуемый конфузорно-диффузорный канал

2.3. Методика измерения толщины жидкой пленки на поверхности сопловых лопаток 2-й ступени экспериментальной турбины ЭТ-ЗМ и плоской стенки конфузорно-диффузорного канала экспериментального стенда ЭТ

2.4. Оценка погрешности измеряемых величин

Глава 3. Экспериментальное исследование образования влаги и формирования жидких пленок в турбинной ступени большой веерности

3.1. Влияние начального состояния пара на образование жидких пленок в межлопаточных каналах сопловой решетки

3.2. Образование жидких пленок при различных углах входа потока в сопловую решетку

3.3. Формирование жидких пленок на поверхности сопловых лопаток при различных водно-химических режимах

Глава 4. Экспериментальное исследование процессов образования и течения жидких пленок в плоском профилированном канале

4.1. Изменение температурных характеристик и толщин жидких пленок при различных водно-химических режимах и концентрациях хлоридов и сульфатов в паре перед исследуемым каналом

4.2. Исследование форм существования жидких образований на стенках плоского профилированного канала при течении конденсирующегося пара

4.3. Влияние принудительной конденсации слабоперегретого и конденсирующегося пара на концентрирование хлоридов и сульфатов в образующейся жидкой пленке

Выводы

Особенностью современных атомных электростанций является то, что процесс расширения пара в турбине в основном начинается в области влажного пара. Наличие жидкой фазы (капель влаги) в паре при его расширении в проточной части турбины приводит к снижению экономичности и надежности турбоустановки.

Следует отметить, что в большой степени эти проблемы касаются турбин ТЭС и ТЭЦ, работающих с высокими начальными параметрами пара. Объясняется это тем, что процесс расширения пара в цилиндрах низкого давления таких турбин пересекает линию насыщения, и элементы проточной части также работают в двухфазной области состояний.

Указанные выше обстоятельства в значительной степени определяет повышенный интерес исследователей к проблемам газодинамики двухфазных сред.

К настоящему времени как в нашей стране, так и за рубежом выполнено большое количество экспериментальных и теоретических исследований, связанных с вопросами течения влажного пара. Однако, необходимо отметить, что не все вопросы решены в полной мере.

Данная работа посвящена исследованию работы турбинных ступеней во влажном паре, в частности, повышению их надежности. Работа является продолжением комплексных исследований в области газодинамики двухфазных сред применительно к турбинам влажного пара, проводимых на кафедре паровых и газовых турбин МЭИ.

В первой главе приводится обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованиям работы турбинной ступени в зоне фазового перехода водяного пара, процессов образования влаги в турбинной ступени, осаждения капель и образования жидких пленок на лопатках турбины, возникновения коррозионно-агрессивных жидких сред на элементах проточной части. Рассмотрен один из возможных методов, позволяющий избежать возникновения коррозионно-агрессивных сред на поверхностях элементов турбинных ступеней. На основании анализа литературных данных сделаны предварительные выводы и сформулирована задача исследований.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных стендов, на которых проводились исследования, их систем измерений и специальных та-рировочных стендов. В этой главе также представлены методики проведения экспериментов и дана оценка погрешности измеряемых величин.

В третьей главе работы представлены результаты экспериментальных исследований по влиянию переменных режимов работы турбин на процессы формирования жидких пленок в элементах турбинных ступеней ЦНД. Также приведены результаты исследования процессов образования коррозионно-агрессивных жидких сред на поверхностях сопловых каналов ЦНД при различных водно-химических режимах.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию различных водно-химических режимов и отдельных примесей на газодинамические характеристики конденсирующегося пара; изучению форм существования жидких образований на стенках плоского профилированного канала при течении конденсирующегося пара; исследованию влияния охлаждения участка стенки профилированного канала на конденсацию слабоперегретого и влажного пара, а также на концентрирование отдельных примесей в образующихся жидких пленках.

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин (ПГТ) МЭИ в проблемной лаборатории турбомашин под руководством д.т.н., проф. O.A. Поварова, поставившего задачу исследований и осуществлявшего научное руководство при ее решении.

Автор данной работы выражает благодарность своему научному руководителю д.т.н., зав. лабораторией O.A. Поварову.

Искреннюю благодарность автор выражает к.т.н., доц. Троицкому А Н. за постоянное внимание и помощь в анализе полученных результатов.

Диссертант благодарит к.т.н., с.н.с. Семенова В.Н., к.т.н., с.н.с. Киселева JT.E., ст. мех. Валикова В.А., инж. Ананьева В.Ф. за содействие, оказанное в разное время, при проведении экспериментов, а также весь коллектив кафедры ГТГТ за помощь в работе.

выводы

Результаты экспериментальных исследований процессов образования жидких пленок на поверхности сопловых лопаток турбинной ступени большой веерности (¿Ш = 2,6) показали следующее:

1. При изменении начальной степени влажности пара перед сопловой решеткой до уо < 2 % на поверхности лопаток не образуется сплошной жидкой пленки.

2. Увеличение начальной степени влажности пара уо перед сопловой решеткой приводит к существенному увеличению толщин жидких пленок на поверхности лопаток. Так, при изменении уо от 0,6 до 2 % суммарная толщина жидкой пленки для всей поверхности лопатки пл)лоп возрастает в 7,7 раза.

3. При нерасчетном угле натекания влажно-парового потока (угол атаки I = 26°) более 70 % от общего увеличения толщины жидкой пленки на поверхности сопловой лопатки при росте степени влажности пара приходится на выпуклую сторону.

4. В диапазоне изменения начальных параметров пара перед сопловой решеткой от перегрева Д7о = Т - Го3 < 3,2 К до степени влажности Уо < 2 % при Мц = 0,56 температура среды на поверхности лопаток может быть на 2-8 К ниже температуры насыщения, соответствующей статическому давлению в точке измерения температуры среды.

5. Изменение угла входа потока пара «о в каналы сопловой решетки приводит к перераспределению толщин жидких пленок, образующихся на поверхности лопаток. Так, при уменьшении «о от 89 до 64° (изменение угла атаки от 0 до 26°) толщина жидкой пленки наиболее интенсивно изменяется на вогнутой стороне лопатки, а при увеличении «о от 89 до 116° (изменение угла атаки от 0 до -26°) - на выпуклой стороне. При этом суммарная толщина пленки (ёт)лоп возрастает от 1,0 до 1,55 при изменении угла натекания потока «о от 64 до 116°.

6. Получено, что изменение водно-химического режима оказывает влияние на процессы образования жидких пленок в элементах турбинных ступеней ЦНД, работающих в зоне фазового перехода пара.

Результаты экспериментов, выполненных в плоском профилированном канале, показывают, что:

1. Изменение концентрации отдельных примесей и водно-химического режима оказывает влияние на газодинамические характеристики конденсирующегося пара, вследствие чего изменяются условия формирования жидких пленок на стенках каналов.

2. В зависимости от степени влажности пара жидкие образования на стенках каналов могут быть в виде отдельных капель, ручейков и участков сплошной жидкой пленки.

3. При начальной степени влажности пара уо < 0,8 % для Reí = 5,7Т05 влага на стенках канала находится в виде капельных и ручейковых течений, двигающихся под действием спутного влажно-парового потока.

4. Отвод тепла от участка стенки канала при течении слабоперегретого (ДГу < 6 К) и влажного (уо < 0,8 %) пара при небольших удельных тепловых потоках (q < 1 МВт/м2) позволяет создать на охлаждаемой поверхности сплошную жидкую пленку с невысокими концентрациями примесей. При этом, образующаяся жидкая пленка, удаляет отложения хлоридов и сульфатов, которые могут присутствовать на охлаждаемой поверхности.

5. Для предотвращения коррозионных повреждений в ЦНД паровых турбин может быть использован метод внутриканального охлаждения лопаток.

1. Влияние растворенных в паре примесей на образование коррозионно-атрессивной жидкой фазы в проточных частях турбин / Мартынова O.A., Поваров O.A., Рабенко B.C., Семенов В.Н., Зайцев H.A. // Теплоэнергетика. 1984. № 4. С. 19-22.

2. Поваров O.A., Рабенко B.C., Семенов В.Н. Влияние примесей в паре на образования жидкой фазы в турбинах / Теплоэнергетика. 1984. № 6. С.20-23.

3. Поваров O.A., Семенов В.Н., Богомолов Б.В. Влияние агрессивных сред на надежность паровых турбин / Теплоэнергетика. 1986. № 10. С.33-38.

4. Влияние водно-химических факторов на коррозионное состояние проточной части турбины / Мартынова О.И., Поваров O.A., Богомолов Б.В. //Электрические станции. 1987. № 3. С.39-43.

5. Комаров Н.Ф., Юрков Э.В. Коррозионные повреждения лопаточного аппарата и дисков паровых турбин // Теплоэнергетика. 1991. № 2. С.10-14.

6. Р.Н. Effertz, Р. Forschliammer und J. Hichling. Spannungsriskorrosion-sçhaden an Bauteilen in Kraftwerkenmechnismen und Beispiele. VGB Kraftwerktechnik, 62. Heft 5. Mai 1982. S. 390-408.

7. Мартынова O.A. Влияние водно-химических режимов энергоблоков ТЭС и АЭС на надежность работы паровых турбин II Энергохозяйство за рубежом. 1979. № 1. С. 1-6.

8. Мартынова О.И., Алейников Г.И., Мамет А.П. Взаимосвязь основных факторов надежности эксплуатации энергетического оборудования ТЭС и АЭС // Энергомашиностроение. 1980. № 12. С.35-37.

9. Jonas О., Lindsay W. Т., Evans N. A. Turbine Steam Purity / Proceedings of 9th International Conference of the Properties of Steam. "Pergamon Press". 1980.

10. Влияние водного режима на работу паровых турбин сверхкритических параметров / Маргулова Т.Х., Трояновский Б.М., Самойлович Г.С., Разумовская Е.Д., Кузьмичева Л.В. // Теплоэнергетика. 1979. № 9. С.8-12.

11. О водно-химическом режиме турбин насыщенного пара на АЭС / Еперин А.П., Захаржевский Ю.О., Маргулова Т.Х., Разумовская Е.Д. // Электрические станции. 1979. № 12. С.7-11.

12. Маргулова Т.Х. Влияние водного режима на коррозию проточной части современных паровых турбин ТЭС и АЭС / Изв. вузов. Энергетика. 1985. № 7. С.61-65.

13. Маргулова Т.Х. Влияние водного режима котлов и парогенераторов на надежность работы проточной части ЦНД паровых турбин / Теплоэнергетика. 1988. № 2. С.40-42.

14. Дейч М.Е., Абрамов В.И., Сабри Т.И. Влияние чисел Маха и Рейнольдса на характеристики лопаток с шероховатой поверхностью / Теплоэнергетика. 1971. № П.

15. Сабри Т.И. Исследование влияние шероховатости на характеристики сопловых решеток и турбинных ступеней: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1972. С. 135.

16. Зусманович Л.Б., Марьянчук М.А. Влияние заноса солями проточной части турбин К-100-90 на их экономичность / Теплоэнергетика. 1969. № 10. С.41-45.

17. Кириллов И.И., Шпензер Г.Г. Влияние турбулентных потоков и шероховатости поверхностей на потери энергии в турбинных ступенях / Теплоэнергетика. 1978. № 5. С.28-30.

18. Мартынова О.И., Рогацкин Б.С. Отложение солей и продуктов коррозии в проточной части турбин сверхкритических параметров / Теплоэнергетика. 1970. № 5. С.50-54.

19. Василенко Г.В., Сутоцкий Г.П. Влияние отложений в проточной части турбин на коррозионное растрескивание рабочих лопаток / Теплоэнергетика. 1989. № 2. С.25-27.

20. Чернецкий Н.С. Коррозионные повреждения лопаток паровых турбин // Теплоэнергетика. 1984. № 4. С.68-71.

21. Богачев А.Ф. Особенности локальной коррозии нержавеющих сталей в зонах фазового перехода//Теплоэнергетика. 1989. № 5. С.11-14.

22. Богачев А.Ф. Влияние состава отложений в зонах фазового перехода на локальную коррозию металла лопаток турбин // Теплоэнергетика. 1992. №8. С. 16-21.

23. Богачев А.Ф. Изучение и предотвращение коррозии металла в зонах фазовых превращений энергетических установок // Теплоэнергетика. 1996. № 8. С. 17-24.

24. Серебрянников Н.И. О проблемах энергетики // Электрические станции. 2000. № 12. С.23-24.

25. Штромберг Ю.Ю., Понасечкин С.А., Копсов А.Я. Показатели работы отечественных теплотехнических блоков мощностью 300 МВт (I Электрические станции. 2000. № 2. С.2-4.

26. Штромберг Ю.Ю., Понасечкин С.А., Копсов А.Я. Повреждаемость теплоэнергетических блоков мощностью 300 МВт // Электрические станции. 2000. № 3. С. 16-18.

27. Поваров O.A. Образование агрессивных сред в паре и проблемы эрозии-коррозии. Препринт № 173-88. 1988. С.40.

28. Поваров O.A., Стырикович М.А. Поведение примесей в проточных частях турбоустановок. В кн. "Тепломассообмен и гидродинамика в двухфазных потоках АЭС". М., Наука. С.300-308.

29. Поваров O.A., Семенов В.Н., Игнатьевская JI.A. Образование солевой зоны на поверхности турбинной лопатки при дозвуковом и трансзвуковом обтекании с фазовым переходом / Вестник МЭИ. 1994. №3. С. 19-22.

30. Семенюк A.B. Исследование процессов осаждения и сепарации мелкодисперсной влаги в турбинах: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1981. С.203.

31. Рабенко B.C. Осаждение мелкодисперсной влаги и образование жидких пленок в турбинах: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1982. С. 192.

32. Кириллов И.И., Шпензер Г.Г. Влияние степени турбулентности на структуру потока за решетками профилей / Изв. вузов. Энергетика. 1972. № 5. С.25-26.

33. Stelz W.G., Lee Р.К., Lindsay W.T. The verification of concentrated impurities in low pressure steam turbines / Aero-Thermodynamics of steam Turbines. November, 15-20. 1981. P.73-82.

34. Филиппов Г.А., Поваров O.A., Пряхин B.B. Исследования и расчет турбин влажного пара. М., Энергия. 1973. 232 с.

35. Стырикович М.А., Мартынова О.И., Миропольский 3.JI. Процессы генерации пара на электростанциях. М.: Энергия. 1969. 312 с.

36. Образование растворов агрессивных сред в проточной части ЦНД турбины К-300-240 / Мартынова О.И., Поваров O.A., Россихин Л.Я., Полевой E.H. //Теплоэнергетика. 1988. № 1. С.45-49.

37. Марциновски С. Экспериментальное определение места возникновения конденсации в паровой турбине / Теплоэнергетика. 1983. № 1. С.69-71.

38. Зависимость надежности работы турбины от качества первоначального конденсата/ Василенко Г.В., Сутоцкий Г.П., Конторович JI.X. и др. // Теплоэнергетика. 1984. № 4. С.54-56.

39. Проблемы водно-химического режима турбоустановок ТЭС с энергоблоками с.к.д. / Сутоцкий Т.П., Кокошкин И.А., Василенко Г.В., Никитин В.И. // Теплоэнергетика. 1986. № 8. С.41-44.

40. О связи качества первоначального конденсата с повреждаемостью лопаток турбин К-300-240 / Василенко Г.В., Сутоцкий Г.П., Евтушенко В.М. и др. // Теплоэнергетика. 1988. № 10. С.42-45.

41. Василенко Г.В. Водно-химические факторы коррозионных повреждений рабочих лопаток и дисков турбин / Теплоэнергетика. 1991. № 11. С.51-54.

42. Семенов В.Н. Определение основных закономерностей влияния агрессивных сред на надежность проточных частей турбин: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1985. С. 196.

43. Богомолов Б.В. Основные закономерности образования агрессивных сред на турбинных дисках и оценка их надежности: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1986. С.233.

44. Троицкий А.Н. Разработка и исследование методов повышения экономичности турбинной ступени, работающей во влажном паре: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1988. С.219.

45. Федоров A.C. Преобразователи и устройства для измерения параметров двухфазных потоков: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1981. С. 150.

46. Выпадение влаги в зоне повышенного давления паровой турбины / Кириллов И.И., Носовицкий А.И. и др. // Изв. вузов. Энергетика. 1974. № 11.

47. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия. 1981. 472 с.

48. Структура и характеристики пленочных течений в сопловых решетках турбин / Дейч М.Е., Поваров O.A., Троицкий А.Н., Федоров A.C. // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1991. № 2. С.110-122.

49. Дейч М.Е. Газодинамика решеток турбомашин. М.: Энергоатом-издат. 1987. 528 с.

50. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат. 1987.

51. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Пути повышения надежности и экономичности турбин влажного пара // Изв. АН СССР Сер. Энергетика и транспорт. 1977. № 5. С.53-70.

52. Влияние влажности на КПД ступеней низкого давления мощных турбин / Кириллов И.И., Косяк Ю.Ф., Носовицкий А.И. и др. // Теплоэнергетика. 1970. № 6. С.36-38.

53. Андриец А.Г. Исследования двухфазных течений в турбинных каналах и вопросы моделирования: Дисс. . канд.техн.наук. М.: Моск.энерг. ин-т. 1981. С.150.

54. Экспериментальное исследование скольжения жидкой фазы за сопловыми решетками турбин / Дейч М.Е., Абрамов Ю.И., Шанин

55. B.К., Хизанашвили // Теплоэнергетика. 1974. № 6. С.47-52.

56. Дейч М.Е., Казинцев Ф.В. Поваров O.A. Движение жидкости по поверхности рабочих лопаток турбинной ступени // Теплоэнергетика. 1967. № 12. С.55-59.

57. Экспериментальные температурные характеристики сопловых лопаток во влажном паре / Дейч М.Е., Поваров O.A., Троицкий А.Н., Куршаков A.B. // Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. 1990. № 3.1. C.110-116.

58. Поваров O.A., Васильченко Е.Г., Петров П.Г. Волновое течение тонких слоев жидкости в поле центробежных сил // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1978. № 1. С. 172-178.

59. Поваров O.A., Васильченко Е.Г. Измерение локальных параметров течений жидких пленок электрическим методом. Изв. вузов. Энергетика, 1976, № 1, с. 141-145.

60. Исследование волновых характеристик жидкой пленки в спутном потоке пара/ Васильченко Е.Г. и др. В кн.: Нелинейные волновые процессы в двухфазных средах. Сиб. отд. АН СССР. 1977. С.227-237.

61. Saito S., Sakanashi H., Suzuki T. Development of Scale Deposit Inhibition Technology Using Turbine Water-Cooled Nozzle // Proc. of the 20th New Zealand Geothermal Workshop. 1998. P. 1-6.

62. Nakagawa Y., Saito S. Geothermal Power Plants in Japan Adopting Recent Technologies // Proc. of the World Geothermal Congress. 2000. P.3245-3251.

63. Экспериментальная турбина МЭИ для исследования элементов проточных частей турбин в области влажного пара / Поваров O.A., Семенов В.Н., Троицкий А.Н., Киселев JI.E. // Вестник МЭИ. 1997. № 3. С.44-47.

64. Вукалович М.П., Ривкин С.А., Александров A.A. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М.: Изд. стандартов. 1969. С.408.

65. Костюк А.Г. Динамика и прочность турбомашин. М.: Машиностроение, 1982.

66. Кириллов И.И., Яблоник P.M. Основы теории влажнопаровых турбин. JI.: Машиностроение 1968.

67. Измерение дисперсности и влажности пара в турбине с использованием метода спектральной прозрачности / Поваров O.A., Фельд-берг JT.A., Семенов В.Н., Попов С.А. // Теплоэнергетика. 2000. № 2. С.34-38.

68. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. 3-е изд. М.: Энергия. 1978. С.704.

69. Федоров A.C. Градуировочные устройства толщиномеров жидкой пленки / Труды МЭИ. 1984. Вып. 623. С.27-29.

70. Долинский Е.Ф. Обработка результатов измерений. М.: Изд. стандартов. 1973. С.316.

71. Wyler J.S., Desai K.J. Moisture measurements critical to performance improvement on low-pressure steam turbines can be made with a new // Industrial Research Developments. 1978. Vol. 20, № 6. P. 111 -115.

72. Krzyzanowski J. Wspotczesne problemy przeplywu pary w ostanich stopniach turbin kondensacyjnich // Cieplne maszyny przeplwowe. 1981. № 89. St. 141-157.

73. Распределение температур по обводам профилей, обтекаемых влажным паром/ Дейч М.Е., Куршаков A.B., Фролов В.В., Маковец В.П. // Теплоэнергетика. 1985. № 3. С.39-41.

74. Дикарев В.И. Исследование влияния влажности пара на характеристики турбины при переменных режимах: Дисс. канд.техн.наук. М.: Моск.энерг.ин-т. 1978.

75. Паротурбинные установки атомных электростанций // Под ред. Косяка Ю.Ф. М.: Энергия. 1978.

76. Мартынова О.И. Оптимизация водного режима и химического контроля на электростанциях США// Теплоэнергетика. 1987. № 12. С.69-72.

77. Образование коррозионно-активных сред в зоне фазового перехода в паровых турбинах/ Мартынова О.И., Поваров O.A., Петрова Т.И., Семенов В.Н., Троицкий А.Н. и др. // Теплоэнергетика. 1998. № 7. С.37-42.

78. О связи качества первоначального конденсата с повреждаемостью лопаток турбин К-300-240 / Василенко Г.В., Сутоцкий Г.П., Петров В.Ю. и др. // Теплоэнергетика. 1988. № 10. С.42-45.

79. Конторович JI.X., Рогальская И.А. Некоторые проблемы эксплуатации энергоблоков с.к.д. в маневренных условиях при комбинированном водно-химическом режиме // Теплоэнергетика. 1991. №7. С.11-14.

80. Исследование образования отложений в паровых турбинах / O.A. Поваров, О.И. Мартынова, Т.И. Петрова и др. // Теплоэнергетика. 2000. №6. С.58-60.