автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Интенсификация дроссельирования в проточной части устройств управления расходом теплоносителя ЯЭУ

На правах рукописи УДК 621.039.56 (58)

Чеков Михаил Евгеньевич

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ РАСХОДОМ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ЯЭУ

Специальность 05.14.03 - Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 ион 2015

005569748

Москва - 2015

005569748

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана" (ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана).

Научный Драгунов Юрий Григорьевич

руководитель член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, директор - Генеральный конструктор АО «НИКИЭТ», заведующий кафедрой «Ядерные реакторы и установки» ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана

Официальные Черноштан Виктор Иванович, доктор технических наук, оппоненты генеральный директор ЗАО «АРМЭКС»

Чуркин Андрей Николаевич, кандидат технических наук, начальник отдела Акционерного общества Опытное конструкторское бюро «ГИДРОПРЕСС» (АО ОКБ «ГИДРОПРЕСС»)

Ведущая Акционерное общество «Опытное конструкторское бюро

организация машиностроения им. И.И.Африкантова (АО «ОКБМ Африкантов»)

Защита диссертации состоится 17 июня 2015 г. в 11.00 на заседании диссертационного совета Д 201.008.01 на базе Акционерного общества "Ордена Ленина Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени H.A. Доллежаля" (АО «НИКИЭТ») по адресу: Москва, ул. Малая Красносельская, д 2/8, корп. 3, ком. 303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО «НИКИЭТ» и на сайте www.nikiet.ru.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, направлять по адресу: 101000, Москва, а/я 788, ученому секретарю диссертационного совета Д 201.008.01.

Автореферат разослан "_"_2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

A.B. Джалавян

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Актуальность проведения настоящей работы определяется научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами по созданию реактора на быстрых нейтронах со свинцовым теплоносителем, выполняемыми в соответствии с Федеральной целевой программой "Ядерные энерготехнологии нового поколения на период 2010 - 2015 годов и на перспективу до 2020 года".

Разработка АО "НИКИЭТ" прототипной реакторной установки БРЕСТ-ОД-ЗОО в двухконтурном исполнении с водяным паром докритических параметров в качестве рабочего тела предусматривает создание и экспериментальное обоснование арматурных средств безопасности, около сорока устройств управления расходом: пусковых, питательных, обслуживающих парогенератор и другие элементы контура рабочего тела.

Существующие устройства управления расходом, созданные в 1980-ые годы, не могут быть использованы в инновационной реакторной установке БРЕСТ-ОД-300. Их главным недостатком является низкая надежность, связанная с высокими скоростями потока в проходном сечении арматуры, приводящими к коррозионно-эрозионным, кавитационным процессам.

Отмеченное делает актуальной разработку нового поколения устройств управления расходом, имеющих необходимые параметры перепада давления и расхода среды.

Объектом исследования являются интенсифицированные устройства управления расходом теплоносителя ядерных энергетических установок.

Целью настоящей работы является:

- обоснование технических решений, обеспечивающих повышение эффективности дросселирования в проточной части для создания интенсифицированных, стабильных, компактных, безвибрационных во всем рабочем диапазоне устройств управления расходом теплоносителя;

- расширение диапазона применения интенсифицированных устройств управления расходом теплоносителя в реакторных установках с высокими перепадами давления и расходами.

Основными задачами, решаемыми в данной работе, являются:

- анализ существующих методов дросселирования потока среды в устройствах управления расходом теплоносителя;

- аналитическое исследование процессов дросселирования гладкими и интенсифицированными проходными сечениями и предложение на этой основе новых проточных частей;

- экспериментальное исследование параметров и характеристик компактных устройств управления расходом с интенсифицированными проходными сечениями;

- разработка методики расчета интенсифицированных устройств управления расходом с учетом разнообразия существующих устройств и способов их интенсификации;

- обоснование возможности создания интенсифицированных устройств управления расходом применительно к реакторной установке высоких параметров (до 20 МПа и 600 °С).

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

- использованием фундаментальных законов и уравнений механики жидкости и газа;

- научно-обоснованным выбором физических моделей, используемых при проведении экспериментального и расчетного обоснования устройств управления;

- использованием стандартизованных методик, аттестованных средств измерений и регистрации экспериментальных параметров;

- удовлетворительным соответствием результатов расчета и проведенных в работе экспериментов.

Научная новизна:

- впервые проведено комплексное аналитическое исследование процессов дросселирования гладкими и интенсифицированными проходными сечениями в устройствах управления расходом;

обоснована целесообразность и возможность интенсификации процессов дросселирования в проточной части устройств управления расходом теплоносителя;

- впервые определены скоростные диапазоны различных механизмов воздействия потока на проточную часть устройств управления расходом;

- впервые сконструированы компактные дроссели, проточная часть которых содержит пересекающиеся каналы различной формы;

впервые изучено влияние на коэффициент гидравлического сопротивления геометрических параметров компактных дросселей, числа Рейнольдса, числа кавитации, формы и расположения проходного сечения;

определено влияние гидродинамической структуры потока на дросселирование потока среды.

Практическая значимость результатов работы:

- разработана и обоснована единая методика расчета устройств управления расходом теплоносителя, выполненных с параллельными канавками, с пересекающимися прямыми каналами, содержащих модули и кассеты в составе проходного сечения;

- предложены технические решения для модернизации широко используемых в энергетике в настоящее время устройств управления расходом с гладкими проходными сечениями.

- показана возможность модернизации существующих устройств управления расходом и обоснована возможность увеличения проходного сечения, достаточного для перехода из нестабильного режима в стабильный.

- обосновано существенное расширение диапазона использования интенсифицированных устройств управления расходом до перепадов давления 20 МПа и номинальных диаметров 500 мм.

Личный вклад автора

Представленные в работе результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автором проведены все описанные в работе эксперименты: исследована гидродинамическая структура дросселированного потока; исследовано влияние формы и расположения проходного сечения на образование и расширение струй на малых открытиях; исследовано влияние геометрических параметров и режима течения на коэффициент гидравлического сопротивления новых компактных дросселей; исследовано влияние способов интенсификации на вибрационные характеристики проходного сечения. Диссертантом лично проведено аналитическое исследование процессов дросселирования гладкими и интенсифицированными проходными сечениями, предложены новые компактные дроссели, проточная часть которых содержит пересекающиеся каналы разной формы. Автором работы лично разработана единая методика расчета существующей гаммы устройств управления расходом среды на основе физических соотношений. Автор принимал непосредственное участие в технических разработках интенсифицированных устройств управления расходом на высокие параметры среды, в том числе для РУ БРЕСТ.

На защиту выносятся:

- результаты комплексного аналитического исследования процессов дросселирования устройств управления расходом;

единая методика расчета устройств управления расходом теплоносителя, выполненными с параллельными канавками, с пересекающимися прямыми каналами, содержащих модули и кассеты в составе проходного сечения;

- технические решения для создания новых интенсифицированных устройств управления расходом на основе широко используемых в энергетике в настоящее время с заменой гладких проходных сечений на интенсифицированные с компактными дросселями.

результаты экспериментального исследования параметров и характеристик новых компактных дросселей;

- обоснование существенного расширения диапазона использования интенсифицированных устройств управления расходом до перепадов давлений 20 МПа и номинальных диаметров до 500 мм, ранее недоступного в России.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научных совещаниях: "Модернизация оборудования и арматуры АЭС" (Болгария, 2011 г.), "Трубопроводная арматура и другое массовое оборудование для АЭС" (Германия, 2011 г.), "Повышение

технического уровня и совершенствование трубопроводной арматуры" (Франция, 2012 г.), "Упрвление ресурсом трубопроводной арматуры АЭС" (Испания, 2013 г.), "Продление продолжительности эксплуатации оборудования АЭС" (Чехия, 2014 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, в том числе 3 статьи в журнале "Атомная энергия", входящем в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен патент Российской Федерации на изобретение, выпущено 8 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и результатов, перечня основных терминов и определений, списка использованных источников. Объем диссертации составляет 135 страниц, 78 рисунков, 5 таблиц. Список использованных источников включает 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемой проблемы, определена цель работы, поставлены задачи работы, сформулированы положения, определена новизна и практическая ценность полученных результатов, перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ устройств управления расходом теплоносителя (особенностей эксплуатации, конструкционных решений, рабочих параметров и характеристик).

Выявлены основные дефекты, проявляющиеся при эксплуатации устройств управления расходом теплоносителя: утонение корпусов в местах дросселирования, износ регулирующих элементов и седел в результате коррозионно-эрозионных, вибрационных, кавитационных процессов.

Установлено, что главной причиной всех отрицательных явлений, проявляющихся при работе устройств управления расходом, таких как шум, вибрация, пульсация, нестабильность, кавитация, эрозионно-коррозионный износ — является высокая скорость среды в проходном сечении между подвижным элементом и седлом.

Повышение дросселирования решетками с гладкими отверстиями, выполняемыми в седле и/или в регулирующем элементе недостаточно эффективно. Такие решения из-за высоких скоростей потока в проходном сечении пригодны только при работе под перепадом давления контура, а не под полным перепадом давления, как требуется для повышения безопасности.

Выполнен обзор работ по интенсификации дросселирования проточной части устройств управления расходом: профессора МГТУ им. Баумана В.В. Мишке, АО "НИКИЭТ", фирмы КОБО и других. Проведено патентно-

техническое исследование изобретений интенсифицированных проходных сечений.

Компактные решения по интенсификации дросселирования проточной части применяются до номинального диаметра 65 мм и перепада давления 10 МПа. Клетковые клапаны на высокие перепады давлений, с невысокими скоростями на выходе из проходного сечения имеют большие массогабаритные параметры.

Проведен анализ изменения проходной площади и коэффициента гидравлического сопротивления (КГС) в устройствах управления расходом от хода регулирующего элемента. Изменение проходной площади, несмотря на разнообразие геометрических форм проходного сечения, близко к линейному (Рис. 1). Отклонение от линейной характеристики на ходе 0,5: шиберная задвижка +22%; сегментная задвижка -2%; задвижка "глаз" -22%; конусный клапан -7%; кран -25%; затвор -35%.

Зависимость КГС проходного сечения (£у) от степени открытия, напротив, весьма разнообразна: по мере открытия может уменьшаться, возрастать и т.п. Для эффективного управления расходом требуется уменьшение КГС по мере открытия проходного сечения для создания высокого дросселирования потока на малых открытиях и слабого при большом открытии проходного сечения для большой пропускной способности.

Из анализа 100 существующих устройств управления расходом на АЭС следует, что проходное сечение сужено в 1,3 - 20 раз относительно проходной площади входного патрубка на малых номинальных диаметрах и до 2,5 - 7 раз на больших номинальных диаметрах (Рис. 2).

Таким образом, при дросселировании гладкими отверстиями площадь поперечного сечения устройств управления расходом используется неэффективно.

0,8'

0.6

а / Ж/ Зт

' Кр >

О 02 й( «6 (¡Н/^В Рис. 1. Изменение проходного

сечения разных типов УУР

язг'Ьк ¿о ео '«А? Рис.2. Использование проходной площади в УУР (100 шт.)

Проведен обзор и анализ методик расчета и программных кодов, применяемых для обоснования работоспособности устройств управления расходом с гладким проходным сечением. Использование существующих

методик расчета и программных кодов для расчета интенсифицированных проточных частей приводит к погрешностям, достигающим 30-40%, получаемых величин. Это связано со сложным характером вихревого течения, определяет необходимость специальных анализов программных кодов, применяемых к проточным частям устройств управления расходом.

Во второй главе проведено аналитическое исследование процессов дросселирования в устройствах управления расходом (УУР) с гладкими и интенсифицированными проходными сечениями.

Проанализирован принцип регулирования расхода путем изменения коэффициента дросселирования для широкого диапазона регулирования (Qmax / Qmin = 9). При малом и полном открытиях проходного сечения коэффициент дросселирования должен отличаться в 450 раз.

Предложен геометрический фактор интенсификации (Геинт = £ / f2), зависящий только от геометрии проходного сечения. Геометрический фактор целесообразно использовать в расчетах при переходе от гладкого проходного сечения существующего УУР к интенсифицированному. При интенсификации требуется сохранять неизменным геометрический фактор, т.е. Гегл = Геикт = idem.

Геометрический фактор показывает, во сколько раз нужно изменить проходное сечение при увеличении КГС. Для широкого диапазона регулирования коэффициент гидравлического сопротивления, отнесенное к проходному сечению, в начале хода и в конце должен отличаться примерно в 5-6 раз.

Расчетный анализ характеристик УУР

Разработаны основы расчета характеристик УУР, выполняемые в следующей последовательности:

- из совместного решения уравнений гидравлического сопротивления арматуры Ар,/Ар1тх = (A) /C,may) (fmaJf,)2 (Q,2/QmJ) и изменения перепада давления контура определяется расход, проходящий через УУР (Q) и создаваемый перепад давления (Ар) при этом открытии;

- по расходу и проходной площади определяется скорость протекания рабочей среды в проходном сечении (w): w,/wm£Lx= [(Qi,QmJ / (fyi/fj]/w^

- по значениям безразмерных скоростей и расходов выбираются характеристики проходного сечения.

Из безразмерных характеристик существующих УУР (Рис. 3) видно, что при большом разнообразии изменение КГС (Рис. За) слабо влияет на вид расходной характеристики (Рис. 36), но заметно - на скоростную.

Диапазон регулирования практически у всех УУР составляет ~ 5:1. У профилированных клапанов, КГС которых возрастает по мере открытия проходного сечения, он составляет 2,2:1, что совершенно недостаточно. Для получения расходной характеристики близкой к линейной с широким диапазоном регулирования применяют профилирование проходного сечения. Из-за этого площадь проточной части используется неэффективно.

Рис. 3. Безразмерные коэффициенты гидравлического сопротивления (а) и расходные характеристики (б): Гл - гладкий; Гр - гребенчатый; Дс - двухседельный; Зд - задвижка;

Кр - кран; У - угловой

Проанализированы расчетные характеристики известных устройств управления расходом. УУР с гладкой кольцевой щелью (угловой и двухседельный клапаны), у которых КГС повышается по мере открытия проходного сечения, работоспособны при небольших перепадах давления Ар=\-2 МПа. При большем Ар скорость в начальной зоне регулирования превышает допустимую по вибростойкости.

При интенсификации процессов дросселирования в кольцевой щели путем замены гладкого плунжера на гребенчатый с параллельными канавками КГС повышается в 2-2,5 раза, скорость при этом снижается в 1,6-1,4 раза. Нормальная работоспособность увеличивается до перепада давления Ар = 4 МПа.

УУР с пристеночной щелью на малых открытиях (задвижки и краны), у которых КГС падает по мере открытия проходного сечения, работоспособны до более высоких Ар= 6 МПа.

Для требуемых в быстрых реакторах перепадах давления Ар= 12-18 МПа существующие УУР не подходят.

Выполнен анализ изменения скорости потока для проходного сечения различных устройств управления расходом. Определены экстремумы скорости потока по ходу открытия проходного сечения. Для клапанов максимальные скорости находятся в самом начале открытия, иногда при относительном ходе 5/5тах к о. Для остальных типов проточной части максимальные скорости создаются при в/Б^ = 0,25-0,3. При полном открытии скорости снижаются примерно в два-три раза.

Проведен анализ влияния рабочих параметров на работоспособность устройств. На основании обработки результатов предыдущих испытаний и эксплуатации устройств управления расходом на АЭС с использованием критерия (числа) кавитации определены скоростные диапазоны влияния потока теплоносителя на стенки проточной части устройств и примыкающих к выходу трубопроводов по воде (Рис. 4):

- до 40-45 м/с - длительная устойчивая работа;

- от 40-45 до 60-65 м/с - работа без запаса;

- от 60-65 до 75-80 м/с - работа у границы устойчивости с появлением кавитации, вибрации, износа;

- более 75-80 м/с - неустойчивая работа с высокой вероятностью поломки устройств.

ЕЖ-

I* т*

Рис. 4. Скоростные и кавитационные границы работы УУР:

I - длительная устойчивая работа;

II - работа без запаса;

III - работа у границы устойчивости с появлением кавитации, вибрации, износа;

IV - неустойчивая работа с высокой вероятностью поломки устройств

Из расчетных соотношений перепада давления, гидравлического сопротивления и скорости потока в регулирующем окне определено, что арматурные изделия с гладкими проходными сечениями и малыми гидравлическими сопротивлениями устойчиво работают до перепада давления 3-4 МПа. С многоступенчатыми решетками и увеличенным КГС (и размерами) УУР могут работать до 8-9 МПа.

Нормы и правила атомной энергетики требуют работоспособности УУР при перепаде давления, равному полному давлению контура (имеющее место при разрыве трубопровода). Таким образом на перепад давления 12-18 МПа нужны дроссельные проходные сечения с КГС не менее 5-6. Такого значения КГС есть в зарубежных УУР (Япония, США, Италия) и при больших габаритах. Теперь получены в данной работе при меньших габаритах.

Построение компактных дросселей

Для компактного исполнения проходного сечения с целью расширения диапазона использования интенсифицированных УУР предложены и обоснованы новые компактные дроссели, проточная часть которых содержит пересекающиеся каналы разной формы в поперечном сечении (Рис. 5). На выходе из проходного сечения с пересекающимися прямыми каналами не образуются длинные струи, вместо них выходит перемешанный поток.

Проведен аналитический расчет КГС дросселей с пересекающимися каналами с предположением аддитивности, т.е. сложением сопротивлений последовательно расположенных элементов. КГС увеличивается с ростом угла поворота и их количества. Максимальный вклад в общий КГС проходного

сечения дает поворот вокруг угла. Анализ выполнен для дроссельных решеток с пересекающимися каналами с варьированием следующих параметров: форма канала (круглая, прямоугольная), угол пересечения каналов (70-100°), число вертикальных рядов (1-6), ширина каналов (3,2-36мм).

Рис. 5. Компактные дроссели с пересекающимися каналами: с одним (а), двумя (б), тремя поворотами (в) и внешний вид (г)

Проведен анализ эффективности интенсификации дросселирования проточной части устройств управления расходом на примере золотникового клапана. Полученные эффекты интенсификации без изменения массогабаритных параметров содержат:

- снижение скоростей потока теплоносителя до границ длительной

устойчивой работы;

- увеличение перепадов давления с длительной устойчивой работой;

- расширение диапазона регулирования;

- увеличение пропускной способности;

- ожидаются и для других типов устройств управления расходом.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования: гидродинамической структуры дросселированного потока, гидравлических и пневматических параметров гладких и интенсифицированных проходных сечений устройств управления расходом.

С помощью эффективного способа визуализации течения на стенде плоского моделирования (гидролоток) зарегистрирована гидродинамическая структура дросселированного потока (струйные течения, вихревые и застойные зоны, зависящие от геометрических форм изучаемых моделей). Определены также численные значения некоторых параметров потока.

Изучено течение воды вдоль стенки с искусственной шероховатостью, образованной выступами и впадинами разной формы: наклонными, широкими и глубокими. Скорость вращения вихрей в квадратных камерах в радиальном направлении изменяется линейно и не зависит от ее размеров, скорости потока в щели и режима течения (Рис. 6). Наибольшая скорость вращения вихря

наблюдается в квадратных камерах (Рис. 7). В глубоких камерах (t/h < 1) скорость вихрей снижается на 30-80 %, в широких (t/h > 1) - на 5-25 %.

wln - скорость в щели

Рис. 7. Влияние формы межгребенчатой камеры на скорость вращения и размер вихря: • - безразмерная скорость; о- отношение ширины к глубине вихря;

Ъ - глубина; Ъ - ширина

В центрально расположенном отверстии (Рис. 8а) сдросселированная струя идет не по центру канала, а отклоняется к одной из стенок. При этом интенсивно крутятся два вихря, вызывающие затраты энергии струи на их кручение.

При пристеночном расположении (Рис. 86) струя проходит вдоль стенки. Образуется один большой вихрь, вращающийся с гораздо меньшей скоростью.

Проходя через проходное сечение, струя сжимается, а затем расширяется под небольшим углом. На границе струи и вихря в обоих случаях образуется дорожка из маленьких вихорьков, вращающихся с большой скоростью (дорожка Кармана).

В пересекающихся каналах (Рис. 8е) потоки последовательно поворачиваются вокруг углов (в зависимости от угла пересечения - острых, прямых, тупых). В местах пересечения каналов потоки не перемешиваются между собой. За каждым поворотом образуются один или несколько

вращающихся вихрей, а струя потока сжимается. Энергия потока струи теряется на каждом повороте на кручение вихрей.

Рис. 8. Картины течения на гидролотке в пристеночном отверстии (а), центральном (б) и пересекающихся каналах (в)

в зависимости от степени

По трекам (следам) движения частиц в дросселированном потоке определены количественные значения параметров дросселированного потока.

Определены коэффициенты сжатия струи сужения проходной площади (Рис. 9):

- для центрального расположения отверстия 8 = 0,58-0,65;

- для пристеночного е = 0,7-0,67.

аз

0,6

-1

г ::::г • Рд\

Рис. 9. Влияние сужения проточной части отверстия на сжатие струи

0.1

0.2

0.3

ОЛ 0.5

у'

Если отнести справочные значения КГС, составляющие в справочной литературе 2,5-2,8 при больших сужениях, не к геометрическому узкому сечению, а к самому узкому сечению струи, то получаются следующие значения:

Сфист = 0,72-2,5 = 1,2; ^центр = 0,62-2,8 = 1,0.

Сделан вывод, что при прохождении потока через гладкое отверстие теряется только динамический напор (рлу / 2) струи. Скорости струи при этом будут получаться в 1,4-1,7 раза больше, чем при расчете по самой узкой плошади проходного сечения.

Установлено, что максимальные значения скорости потока получаются при сужениях = 0,2 (Рис. 10). Причем расположение проходного сечения (центральное или пристеночное) и форма выходного участка (прямолинейного или с поворотом на 90°) не влияют на степень открытия с максимальной скоростью. Таким образом при малых открытиях проходного сечения требуются большие значения КГС для борьбы с высокими скоростями.

Скорость вращения вихрей имеет максимальное значение также при сужении ~ 0,2 fy/F. При пристеночном расположении отверстия скорость вихря практически не меняется. При центральном расположении - один вихрь крутится с большей скоростью относительно второго. Струя отклоняется в сторону с более быстрым вихрем.

Рис.10. Изменение скорости струи от сужения Рис.11. Влияние угла проходной площади (а) и по длине струи (о) поворота на сжатие струи

и КГС

Выявлено, что расположение проходного сечения (ПС) влияет на скорость потока по длине струи. При центральном расположении ПС вылетает струя, с обеих сторон от которой интенсивно вращаются два вихря (по одному с каждой стороны). После прохождения этих вихрей скорость струи падает (Рис. 106). Таким образом, энергия струи затрачивается на кручение вихрей. В пристеночном ПС скорость струи по длине практически не изменяется.

В пересекающихся каналах сужение струи зависит от угла поворота -увеличивается с ростом угла (Рис. 11). Сужение на первом и втором повороте в пересекающихся каналах совпадает с сужением при одиночном повороте, на третьем повороте сужение увеличивается. С увеличением сужения струи увеличивается коэффициент гидравлического сопротивления.

Эксперименты по гидравлическим параметрам и характеристикам проводились на объемном гидравлическом стенде. Диапазон изменения чисел Яе - (1-20)-104; чисел кавитации - 0,25-4; КГС -1-7,6.

Установлено, что в автомодельной области (Яе > 104) и при отсутствии кавитации (к > 1) КГС компактных дросселей с пересекающимися каналами постоянный (Рис. 12а). При наличии кавитации (к < 1) происходит увеличение значений КГС.

Выявлено влияние геометрии дроссельных каналов: угол пересечения и количество пересечений каналов на КГС. При "вырождении" поворотов,

имеющее место при близком расположении пересекающихся каналов друг к другу, происходит снижение КГС (пунктирная линия на Рис. 126). Струи поворачивают на меньшие углы, чем заданы геометрией проточной части.

Установлено, что целесообразно использование дросселей с пересекающимися каналами в диапазоне 70 - 110°. При углах поворота менее 70° снижается КГС, а также увеличивается сужение проходной площади. После углов поворота 110° неэффективно используется проходная площадь.

| V..

-«Г

£

О

|

6=5

5-2 6=7

60 70 80 90 700 „110 * База %"

б

1

У г * ]: П&ФС игс.ч

У

1 • в* •ДГ; ггг^г? У /

^—- !

О 0.1 0.2 03 ОЛ 0.5

иг

Рис. 12. Изменение коэффициента гидравлического сопротивления: от числа кавитации (а), от угла поворота (б), от числа поворотов (в), от сужения проходного сечения (г)

В зависимости от числа поворотов (пересечений) получены следующие данные коэффициентов гидравлического сопротивления (Рис. 12в) для: бесповоротных гладких дроссельных решеток С, = 1,2-1,8; одноповоротных пересекающихся каналов С, = 3,2-4,2; двухповоротных каналов С, = 5,8-6,8; трехповоротных каналов ( = 6,9-7,2. Расчетные данные (кривая на Рис. 12«) хорошо коррелируются с экспериментальными значениями. Это говорит о

применимости принципа аддитивности для определения КГС при физически обоснованном разбиении на отдельные элементы.

Установлено снижение значений КГС проходных сечений как гладких, так и интенсифицированных при малых открытиях (Рис.12г). У гладких КГС падает до 1, в дроссельных проходных сечениях до 3,6, что позволяет снижать скорости рабочей среды в интенсифицированных ПС, относительно гладких, в 1,9 раза.

Эксперименты по исследованию влияния способа интенсификации дросселирования на вибрационные характеристики проходного сечения проведены на объемном вибростенде. Установлен монотонно возрастающий характер интегральных значений виброускорений и виброскоростей от перепада давления газа на рабочем участке. Максимальные уровни виброускорений и виброскоростей зафиксированы при перепаде давления 81,5 кгс/см2. Изменения перепадов давления практически не влияют на частотный характер автоспектров, изменяются только амплитудные значения.

В четвертой главе представлена разработанная единая методика расчета существующей гаммы устройств управления расходом теплоносителя на основе физических соотношений. Она позволяет определять оптимальные размеры проточной части устройств управления расходом, удовлетворяющие требуемым параметрам и характеристикам.

При расчете учитываются явления сжимаемости сред (для воздуха, газа или пара), двухфазности потока и эффекта дросселирования (снижения температуры и изменение плотности) на основании аналитических исследований соответствующих зависимостей.

Разработанная методика расчета позволяет:

- проводить выбор по каталогу (для слабодросселированных контуров, в которых перепад давления не велик и устройства управления расходом с гладким проходным сечением обеспечивают заданные параметры работы при компактном исполнении и допустимых скоростях течения);

- рассчитывать интенсифицированные проточные части на основе широко используемых в настоящее время в энергетике устройств управления расходом путем замены гладкого проходного сечения на интенсифицированное.

Помимо расчета режимов нормальной эксплуатации проточная часть устройств управления расходом проверяется также на перепад давления, равный давлению в контуре, что имеет место в пусковых режимах и в аварийных ситуациях (например, с разрывом трубопровода). Учитывается также продолжительность работы устройств управления расходом в пусковых и аварийных режимах.

Приводится учет погрешностей расчета связанный с: неточностью исходных величин, входящих в расчетные соотношения; отличием реально формы проточной части и проходного сечения от расчетной, связанных с изготовлением и монтажом; отклонением режимных параметров течения теплоносителя от номинальных (заданных).

Выполнено тестирование предлагаемой методики путем сравнения расчетных и экспериментальных данных. Получено хорошее совпадение значений: погрешность не превысила 6-10 %.

В пятой главе представлены практические результаты работы. Выполнена интенсификация дросселирования проточных частей существующих устройств управления расходом путем замены гладких проходных сечений на интенсифицированные с компактными дросселями:

- в техническом проекте по разработке компактных унифицированных дроссельных устройств для Ростовской АЭС;

- в техническом предложении по интенсификации регулирующих задвижек DN 175 и 250 мм;

- в техническом предложении по интенсификации проточной части шарового крана DN 500мм;

- в техническом проекте по интенсификации проточной части поворотно-золотникового клапана для реакторной установки типа ВВЭР;

- в техническом предложении по быстродействующему сбросному устройству для защиты парогенератора РУ БРЕСТ от избыточного давления пара второго контура;

- в техническом проекте регулятора расхода питательной воды парогенератора РУ БРЕСТ.

Интенсификация дросселирования позволяет (в скобках приведены конкретные примеры):

- обеспечить и сохранить режимные и массогабаритные параметры устройств управления расходом;

- снизить скорость потока теплоносителя в проходном сечении устройства до границ длительной устойчивой работы (с 67 до 38 м/с - в 1,7 раза по воде и с 765 до 242 м/с - в 3 раза по пару);

- обеспечить отсутствие кавитации при малом давлении (до 0,13 МПа) рабочей среды на выходе из устройства;

- увеличить перепад давления при сохранении длительной устойчивой работы;

- обеспечить работу при полном перепаде давления (до 20 МПа), например, при разрыве трубопровода или пуске оборудования;

- расширить диапазон регулирования от Dmax/Dmin= (3-5) до 8-9;

- уменьшить длину проходного сечения (с 350 до 35 мм - в 10 раз);

- увеличить пропускную способность в 1,5-1,7 раза (с 150 до 250 м /ч) при сохранении массогабаритных параметров и в 2-3 раза (с 150 до 450 м /ч) при увеличении проходного сечения на 20-30 %.

Диапазон использования интенсифицированных устройств управления расходом расширен: по номинальному диаметру - с 80 до 500 мм (в 6 раз); по перепаду давления - с 9 до 20 МПа (в 2 раза).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Систематизированы и сопоставлены известные данные по устройствам управления расходом (УУР) теплоносителя, включающие технические требования, принципиальные схемы проточных частей, методики расчета и программные комплексы, рабочие характеристики, данные по эксплуатации. Показано, что главной причиной шума, вибрации, нестабильности рабочих характеристик, кавитации, эрозионно-коррозионного износа является высокая скорость среды в проходном сечении.

Показано, что для снижения скоростей потока т.е. увеличения коэффициента гидравлического сопротивления УУР необходима разработка интенсифицированных проточных частей, обеспечивающих вихревое течение в проточной части.

2. Проведено комплексное аналитическое исследование процессов дросселирования потока гладкими и интенсифицированными проточными частями. Получены: определяющие параметры и характеристики УУР; значения параметров, определяющих работоспособность устройств; и эффективность интенсификации дросселирования проточной части.

3. Предложены и разработаны компактные интенсифицированные устройства, проточная часть которых выполнена с пересекающимися прямыми каналами прямоугольной и круглой формы, что позволяет получить высокий коэффициент гидравлического сопротивления наряду с эффективным использованием проходного сечения и потоком с заметно меньшей скоростью.

4. Исследована гидродинамическая структура потока в проходных сечениях с использованием визуализации течения. Определена оптимальная форма межгребенчатых камер (квадратная), что подтверждает аналитические исследования.

5. Экспериментально определены параметры, влияющие на коэффициент гидравлического сопротивления новых компактных дросселей: режим течения, угол поворота, число поворотов, степень открытия. Показано, что целесообразно использовать компактные дроссели с пересекающимися каналами под углом 80°-100°.

В автомодельной области и при отсутствии кавитации КГС компактных дросселей постоянный. У одноповоротных пересекающихся каналов КГС = 3,24,2; у двухповоротных КГС = 5,8-6,8; у трехповоротных КГС = 6,9-7,2. Установлено снижение КГС при прикрытии проходного сечения из-за эффекта растекания: у гладких до 1, в интенсифицированных - 3,6, что позволяет снижать скорости рабочей среды в проходном сечении, относительно гладких, в 1,9 раза.

Данные соответствуют значениям чисел Рейнольдса - 1-104-2-105; чисел кавитации — 0,25-6; перепадах давления - до 0,1 МПа на воде и до 8 МПа на газе; расходов - до 36 м3/ч по воде.

6. Разработана инженерная методика расчета параметров и характеристик интенсифицированных УУР с погрешностью 6-10 % с использованием основных законов механики жидкости и газа, учетом процессов

дросселирования теплоносителя, сжимаемости газообразных сред, двухфазности потока, в том числе, пусковых и аварийных режимах работы и времени работы в этих режимах.

7. Результаты работы использованы в проектах интенсифицированных дроссельных устройств на широкий диапазон рабочих параметров и номинальных диаметров для энергоблоков с реакторами ВВЭР и в проекте АЭС БРЕСТ-ОД-ЗОО.

Созданный научный задел, состоящий из технических решений, методики расчета, расчетных зависимостей, экспериментальных характеристик, может быть использован при создании новых интенсифицированных устройств управления расходом с заменой гладких проходных сечений на интенсифицированные с компактными дросселями.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Патентно-технический обзор устройств регулирования расхода // ТПА-Экспресс. 2011. №03 (03). С. 8-18.

2. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Анализ и разработка проточных частей интенсифицированных регуляторов расхода // Трубопроводная арматура и оборудование. 2011. № 5 (56). С. 83-86.

3. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Интенсификация проточной части дроссельно-регулирующих устройств в энергетике // Труды совещания МХО Интератомэнерго, Сен-Валье, Франция, 27 марта - 01 апреля 2011, 11 с.

4. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Анализ и разработка проточной части устройств управления потоком среды // Труды совещания МХО Интератомэнерго, Варна, Болгария, 17-24 июня 2011, 12 с.

5. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Особенности эксплуатации трубопроводной арматуры // Трубопроводная арматура и обрудование. - 2011. - № 4 (55). -С. 87-92.

6. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Анализ и разработка проточных частей ИРР // Труды совещания МХО Интератомэнерго, Дюссельдорф, Германия, 19-24 сентября, 2011, 12 с.

7. Ионайтис P.P., Сердюк Н.М., Чеков М.Е. Пассивная компактная модульная унифицированная арматура для повышения надежности управления потоками среды на АЭС // Трубопроводная арматура и оборудование. 2011. №6(57). С. 37-41.

8. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Концепция и принципы реализации профилирования проточной части регуляторов расхода // Труды совещания МХО Интератомэнерго, Гренобль, Франция, 02-07 апреля 2012, 9 с.

9. Ионайтис P.P., Лемехов В.В., Сердюк Н.М., Чеков М.Е. Направление разработки защитной и регулирующей арматуры ПГ РУ БРЕСТ // Памятная записка международного совещания МХО Интератомэнерго, Милан, Италия, 09-14 декабря 2012, 8 с.

10. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Интенсификация дросселирования проточной части регуляторов расхода среды // Атомная энергия. - 2012. - Т. 112. - Вып. 5. - С. 263-269 (Чековым М.Е. выполнено обоснование повышения эффективности дросселирования в проточной части устройств управления расходом среды, проведено расчетно-аналитнческое исследование характеристик устройств регулирования расходом, 0,3 пл / 0,5 пл).

11 .Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Дросселирование потока среды в регулировочных окнах проточной части интенсифицированных регуляторов расхода ЯЭУ // Годовой отчет НИКИЭТ-2012. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: ОАО "НИКИЭТ", 2012. - С. 179-180.

12.Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Экспериментальное определение характеристик интенсифицированных регуляторов расхода // Годовой отчет НИКИЭТ-2012. Сб. статей / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: ОАО "НИКИЭТ", 2012. - С. 180183.

13. Ионайтис Р. Р., Чеков М. Е. Анализ проточной части трубопроводной арматуры второго контура реакторной установки АЭС // Трубопроводная арматура и оборудование. 2012. №4 (61). С. 104-114.

14. Ионайтис P.P., Лемехов В.В., Сердюк Н.М., Чеков М.Е. Направление разработки защитной и регулирующей арматуры ПГ РУ БРЕСТ // Трубопроводная арматура и оборудование. 2012. №6 (63). С. 26-32.

15. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Исследование гидродинамической структуры дросселированного потока жидкости И Атомная энергия. 2013. Т. 115, Вып. 3. С. 136-141 (Чековым М.Е. проведено экспериментальное исследование дросселированного потока среды в гладких и интенсифицированных проточных частях, выполнен анализ экспериментальных данных, определены численные значения характеристик потока, 0,2 пл / 0,4 пл).

16. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Научное управление ресурсом запорно-регулирующей арматуры // Труды совещания МХО Интератомэнерго, Сарагоса, Испания, 09-14 декабря 2013, 12 с.

17. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Необходимость и возможность защиты трубопровода от эрозионного износа // Труды совещания МХО Интератомэнерго, Оломоуц, Чехия, 25-29 марта 2014, 6 с.

18. Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Усовершенствование устройств управления расходом теплоносителя // Атомная энергия. - 2014. - Т. 116. - Вып. 3. -С. 131-135 (Чековым М.Е. разработана единая методика расчета устройств управления расходом с учетом их разнообразия и способов интенсификации, определены скоростные диапазоны воздействия потока на проточную часть, обосновано существенное расширение диапазона использования интенсифицированных устройств управления расходом среды, 0,2 пл / 0,3 пл).

19.Бажанов A.A., Ионайтис P.P., Чеков М.Е. Защитная и регулирующая арматура парогенератора АЭС // Годовой отчет НИКИЭТ-2014. Сб. статей /

Под ред. Е.О. Адамова. - М.: ОАО "НИКИЭТ", 2014. - С. 201-205 (Разработана проточная часть устройства управления расходом, позволяющая объединить пусковой и основной регуляторы питательной воды парогенератора). 20. Пат. 2514328 Российская Федерация, МПК7 F 16 К 3/02, F 16 К 47/14. Дроссельно-регулирующее устройство / Ионайтис P.P., Лемехов В.В., Чеков М.Е.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имен которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом". - № 2012151736/06; заявл. 03.12.2012; опубл. 27.04.2014, Бюл. № 12. -6 е.: ил.

Полпнсано в печать 15.04.2015 Формат 60*84'16. Усл. неч. л. 1,0 Тираж 100 ЭК1.

Отпечатано в типотрафии АО «ПИКЮТ»

по решению диссертационного совета Д 201.008.01. Закат № 15

107140, Москва, ул. М. Красносельская, 2/8