автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Исследование течений в каналах выходного тракта ЦНД паровых турбин

ол

7 ( V.""

На правах рукописи

ЗИН ЕПДИН ХАЙССАМ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИИ В КАНАЛАХ ВЫХОДНОГО ТРАКТА ЦНД ПАРОВЫХ ТУРБИН

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные

турСоустановки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва

1995

- г -

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетического института

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент В.Ф. Касилов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор О.Н. Емин

кандидат технических наук, доцент В.Л. Иванов

Ведущая организация: Акционерное общество -

"Ленинградский металлический завод"

Защита состоится в аудитории Б 409 " В " декабря 1995 г в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета К.053.16.05 Московского энергетического института.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью

организации, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва,

Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан "Цд " ноября 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К.053.16.05

к.т.н., с.н.с

Лебедева А.И.

- 3 -

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Сегодня, когда опасность энергетического кризиса в своей фундаментальной основе осознана, в практической деятельности зачастую отсутствует понимание в необходимости учета кажущихся второстепенными причин его ускорения. Это относится и к проблемам энергетического оборудования, участвущего в процессе преобразования энергии различных видов топлива в электрическую.

Среди такого оборудования один из функционально основных и совершенных по своей экономичности и надежности агрегатов -энергетическая паровая турбина. Вместе с тем, при достаточно шсоком уровне отработки проточной части современных паровых турбин, выходные патрубки их цилиндров низкого давления (1Щ) являются неиспользованным резервом существенного повышения экономичности турбоустановок. Следует признать, что они по ряду параметров не отвечают той степени совершенства, которая наряду с экономическими определяет показатель конкурентоспособности гцюизводителей паровых турбин.

С ростом мощности турбоустановок возникли проблемы, определяемые эффектами запирания выходных патрубков, решение которых является одной из важнейших задач паротурбостроения.

Особую остроту приобретает проблема перехода исследований течений в каналах выходных патрубков с экспериментальной базы на расчетный характер. Для корректной оценки результатов расчетных исследований необходима реальная модель течений в проточной части патрубков, которая сегодня отработана не в полной мере.

Следует отметить, что в практике турбостроения крайне мало работ по исследованиям переходных каналов, включая горловину конденсаторов, а их аэродинамика не изучена.

Все это определяет актуальность представленной диссертационной работы.

Цель работы:

1. На основе экспериментальных исследований представить физическую модель течения в проточной части выходного тракта ВДД паровых турбин с подвальной компоновкой конденсаторов, позволяющую сделать предпосылки для создания корректных математических моделей и соответствующих расчетных исследований.

2. Провести исследования моделей выходных патрубков в околозвуковом диапазоне скоростей для определения механизмов кризисного роста потерь и эффектов запирания в их проточной части.

3. Исследовать аэродинамику переходных каналов выходного тракта ЦНД с возможностью его оптимизации.

Научная новизна диссертационной работы заключается в установлении структуры течения в проточной части выходных патрубков, определяемой крупномасштабным влиянием закрученных потоков в зависимости от числа Мс2 за последней ступенью ЦНД; в получении полей скоростей на выходе из патрубка, утвердивших модель течения на основе свободновынужденного вихря; в проверке механизмов и процессов истечения при запирания каналов патрубка; в разработке средств стабилизации волновых эффектов на обечайке диффузорного канала; в результатах исследования аэродинамики переходных каналов, позволяющих осуществлять их оптимизацию на основе реальной модели истечения рабочей среды.

Степень достоверности полученных результатов определяется надежной методикой экспериментальных исследований, показавшей удовлетворительную сходимость результатов при многократных повторениях и на основе статистического анализа представительной выборки.

Практическая ценность работы заключается в подтверждении физической модели течения, основанной на крупномасштабном влиянии закрученных потоков в объеме сборной камеры, что позволяет уточнить принципы проектирования проточной части выходного тракта ЦНД паровых турбин. Полученные характеристики течений дают возможность осуществлять корректный анализ результатов расчетных исследований. Кроме того, результаты оптимизации переходных патрубков приняты А0"ЛМЗ" к последующему внедрению в турбоустановках.

Личный вклад автора состоит:

1. в выполнении экспериментальных исследований моделей выходного патрубка ЦНД и получении на основе траверсирования 11 не вмоме триче скими зондами трехмерных характеристик полей скоростей в проточной части;

2. в исследовании аэродинамики переходных каналов и получении основных закономерностей при деформации течения в зависимости от

- 5 -

геометрических и режимных параметров;

3. в анализе процессов и механизмов при эффекте запирания выходного тракта ЦНД.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались в КБ "Паровые турбины" АО "ЛМЗ", на кафедре 1ГГТ МЭИ. Опубликовано 2 статьи.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 201 страницах, из которых 121 страниц машинописного текста. Представлено 108 рисунков. Список литературных источников содержит 51 наименование. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяется основная цель исследований и их практическая значимость.

В первой главе приводится обзор литературных источников с результатами исследований выходных патрубков преимущественно за период 1980-1995 гг., а также постановка задач исследований в данной диссертационной работе. Представлена краткая характеристика конструкций выходных патрубков ЦНД паровых турбин отечественных и зарубежных производителей. На основе анализа конструкций с различными системами жесткости корпусов рассматриваются главные принципы формирования модели течения в их проточной части и системы организации потоков при подвальной компоновке конденсаторов турбоустановок.

Как следует из обзора литературы, наиболее представительными являются результаты исследований диффузорных каналов патрубков по их. геометрическим параметрам. Вместе с тем, они в основном посвящены отработке в дозвуковом диапазоне скоростей и крайне мало работ для околозвуковых скоростей, когда в осерадиальных диффузорах присутствует трансзвуковая форма течения с активным проявлением волновых эффектов.

Показано, что практически не исследованы газодинамические

предпосылки кризисного роста потерь в околозвуковом диапазоне скоростей на входе в патрубки ЦНД и в большей степени эффекта их зяпирания, отмечаемого в ряде отечественных и зарубежных паровых турбин большой и средней мощности.

Рассмотренные в первой главе общие характеристики физической модели течения в сборной камере выходных патрубков свидетельствуют, что до последнего времени она базировалась на упрощенной схеме движения (рис.1,а). Реальной является модель течения на основе закрученных по характеру и винтообразных по форме потоков, обусловленных тангенциальной подачей рабочей среды из диффузорного канала в объем сборной камеры в условиях сохранения моментов количества движения (рис.1,6). Отсюда одна из главных задач исследований - обоснование физических предпосылок, объяснявдих к]'упномасштабное влияние закрученных потоков на основные характеристики выходных патрубков ЦНД паровых турбин и, в первую очередь, для околозвукового диапазона скоростей по числу Мсг за последней ступенью.

Рис.1. Упрощенная (а) и реальная (б) модели течения в выходном патрубке 1Щ

В этой связи большой интерес представляют результаты испытаний выходных патрубков ЦНД паровых турбин на ТЭС, а также результаты их модернизации, которые также представлены в форме анализа материалами первой главы диссертации. Кроме того

отмечается, что практически не исследованы проблемы аэродинамики переходных каналов к горловине конденсаторов, что определило одну из составляющих в постановке задач диссертационной работы, иллюстрируемой на рис.2.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных установок, методик измерения и обработки их результатов. Исследования течений в каналах моделей выходных патрубков ЦНД реальных паровых турбин осуществлялись на двух 'аэродинамических трубах (дозвуковой и околозвуковой), работающих в режимах нагнетания воздушной среда. Для исследования структуры потока и получения газодинамических характеристик патрубков использовались пнеБиометрические зонды с чечевице- и шарообразными насадками. Специальные координатники обеспечивали возможность получения трехмерной характеристики поля скоростей в проточной части выходного патрубка.

Выбранные масштабы моделирования выходных патрубков (табл.1) при заданных расходных характеристиках нагнетателей позволили осуществить исследования в диапазоне средних расходных чисел Маха

— а

М4= 0,15 + 0,98 и Рейнольдса Не4= (1,1 + 8,0)-10 , определяемых по параметрам рабочей среды во входном сечении 1-1 моделей. Модели переходных патрубков и горловины конденсатора обеспечивали возможность инвариантных исследований по геометрическим характеристикам и конструкциям.

Оценка погрешностей измерений выполнена на основе статистической обработки результатов с использованием ^-критерия.

Таблица 1

Модель Масштаб моделирования - Чх ^ вп В =— пин н. =— "и ПД Прототип турбины

М1 23,5 0,59 2,35 1,60 2,68 1,63 1,38+ 1,75 К-800-24,0 ЛМЗ

М2 28,0 0,58 ' 2,13 1,75 2,39 1,89 1,70+ 2,21 К-310-24,0 ХТЗ

МЗ 40,0 0,80 2,17 1,45 2,64 3,12 1,67+ 2,0 К-1250-6,0 ЛМЗ

- о -

ГО

ч х со к

15 >>

Д

Б Д Ж О 03 О,

Р- аз ф с

{ч £

ж

Sа; Ей

а« «я

03 о,

4 н

о

о

^

Я Я

о о

ч £

шо ж >»

аз

аз с к

ж х го я

Чо

аз X с; аз о а< о аз К и

аз л К чхз

££

О £н 2 ГО С

«

аз Я К

о « аз к V х я аз со р>

£ ш О ь

Исследование полной модели выходного тракта ЦНД

Влияние геометрических параметров на эффективность

Аэродинамика каналов перходщ'х патрубков

Модель течения для околозвукового диапазона скоростей

Исследование кризисных явлений и механизма запирания

Стабилизация волновьп эффектов в диффузор-ном канале

Определение условий формирования критического сечения

Получение полей скоростей для условий средних закруток

Получение полей скоростей для условий слабых закруток

Уточнение модели течения в сборной камере патрубка

« I

Ч 03 «О, аз

ясш

о о кчх о икэ о ж >>

н

К о го и а,п о к

они со X я о<аз ж

поч с X

£

го г

со ь: 5 Н

ж ж

аз в е с 03 К со

к

в

я с о к Ч ж и аз >»Ч

аз «3 к

ж х

аз а Ч ж аз о ЧЕ аз со о,гз « сц о х

о I

Ч аз д Ч „ ООП

ООО

о,

е о м ж го га н с X аз « {Г о о (Ч ь* вя о о,ж

к т о с

1 О 1«

л

В третьей главе представлены результаты исследования течений в патрубках на основе траверсирования выходного поля скоростей комбинированными зондами. Результат визуализации закрученного потока (рис.3) свидетельствует о главных особенностях течения в объеме сборной камеры, определяемых формированием сложного течения на основе винтообразного характера пространственного потока в поле центробежных сил.

Рис.3

На рис.4 представлено поле скоростей на выходе из модели

патрубка в форме изотах С1= С./Стах, где отмечены его характерные области и зоны:

А - области закрученных потоков; В - область за обечайкой диффузора;

С - область прямого потока из нижней части диффузорного канала; Л - угловые зоны в корпусе сборной камеры; Е - зоны взаимодействия областей А и С. Траверсирована осуществлено комбинированным зондом по координате Ь с шагом перемещения Д1= 5 мм, а по координате В с шагом Дв= 10 мм. В итоге траверсирования получено распределение трех составляющих скорости С: тангенциальной Ст , осевой Си и

Рис.4. Поле скоростей (С.= С. / Стах) на выходе из модели патрубка М1

радиальной Сг для различных значений числа М1.

На рис.5, как пример, представлено распределении скоростей в пределах области "А" закрученного потока для условий малой интенсивности закрутки. Для этих условий в сборной камере патрубков формируется течение по типу свободновынуаденного вихря с преимущественным по размерам полем квазитвердого вихря (вращения как целого). В этом случае профиль осевой составляющей скорости Си имеет максимум Си в центре, а значение Ст т<ц< находится на внешней границе закрученного потока.

С ростом интенсивности закрутки (числа М1) происходит деформация течения, определяемая формированием М-образного профиля осевой составляющей скорости Си, а при сильных закрутках появлением в центре зоны обратных токов. Источником ее образования служат осевые и радиальные градиенты давлений, приводящие к большому разрежению в центре закрученного потока.

потоке ( Мд= 0,185 )

Анализ полученных полей скоростей свидетельствует, что закручивание потока в сборной камере на основе схемы простой тангенциальной закрутки является весьма активным средством воздействия на массообменные процессы, что позволяет эффективно использовать известные преимущества закрученных потоков . перед прямым, а именно, их эжекционную и сепарирующую способность, сокращение дальнобойности потока и появление положительного градиента давления по длине.

Четвертая глава посвящена исследованиям физических моделей

течения в каналах выходного патрубка для околозвукового диапазона скоростей на входе, когда отмечаются кризисные явления. Они, в свою очередь, предопределяют при резком росте потерь возможность его запирания. На рис.6 показаны зависимости коэффициента полных

потерь с исследованных моделей от числа М, (М„,),

П 1 С2

свидетельствующие, что начало кризисного роста зависит от исходного уровня коэффициента Си-

выходных патрубков

Одной из причин кризисных явлений может быть известная особенность трансзвуковых течений, связанная с образованием сверхзвуковых локальных областей потока и соответствующих волновых эффектов. Здесь наряду с потерями полного давления из-за вязкой и турбулентной диссиципации энергии появляются волновые потери, определяемые образованием и воздействием скачков уплотнения в диффузорном канале патрубка, которые в свою очередь, являются дополнительным источником высоких положительных градиентов днвления и отрыва пограничного слоя (рис.7).

В этой связи были осуществлены исследования различного рода схем обечаек, позволяющих стабилизировать волновые эффекты и сократить уровень потерь. На рис.8 показана одна из конструкций обечаек и результаты ее испытаний, свидетельствующие о возможностях расширения бескризисного диапазона то числу Маха. Вместе с тем, полным образом исключить кризисные эффекты, включая и запирание выходного патрубка, не удалось. Кроме того, в опытах не получено данных о формировании критического сечения в проточной части осе-радиального диффузорного канала патрубка, что позволило предположить возможность такого формирования в объеме сборной камеры.

выходного патрубка для околозвукового диапазона скоростей

Рис.8. Зависимость Сп= Г(М1) модели патрубка с обечайкой диффузора (пд= 2,0)

Для определения механизма запирания были осуществлены детальные исследования моделей патрубка с траверсированном полей скоростей в его проточной части. На рис.9 показаны структурные схемы течения в объеме сборной камеры для разных интенсивностей

закруток. Для М4<0,40 в камере формируется закрученный поток по типу свободновынужденного вихря с рециркуляционной зоной за

выходным сечением патрубка. В диапазоне 0,40<М1<0,55 наблюдается образование обратного течения с относительно узкой у; короткой формой рециркуляционной зоны внутри сборной камеры. С ростом закрутки эти зоны удлиняются, достигая плоскости горизонтального

разъема патрубка (0,55<М1<0,65). В условиях сильных интенсивностей закрутки в центре закрученного потока формируется рециркуляционная зона, которая в процессе образования критического сечения приобретает автономный характер развития. С приближением к режиму

запирания (0,65<М1<0,Т5) течение вдоль осевой линии от простого обратного перестраивается к замкнутому возвратному течению в области внутренного ядра.

В условиях же критических режимов (М^О.вО) происходит распад рециркуляционного вихревого ядра и смещение закрученного потока в область выходного сечения диффузора патрубка.

Представленная модель запирания подтверждается полученными в исследованиях полями скоростей. В диссертационной работе процесс смещения закрученного потока обосновывается анализом уравнения моментов количества движения, а также явления аэродинамической неустойчивости сильнозакрученных струй, первичным признаком которой служит образование обратного течения и рециркуляционной зоны. Кроме того, получены и другие признаки формирования критического сечения, определяющего предельный режим течения в выходном патрубке.

Данные результаты свидетельствуют и о возможностях оптимизации проточной части патрубков на основе эффективного использования характеристик закрученных потоков в объеме сборной камеры.

Пятая глава посвящена исследованиям структуры потока в переходных каналах ВДД, включая горловину конденсатора. Установлено, что за выходным патрубком поле скоростей подвергается активной деформации по длине потока, вплоть до вырождения эффектов

-151 -*ч (пл.гор.раз.)

а) М<<0,40 1-

8) 0,Д0< М/<0.55 2-2

«)0,55< М^0,65 3-3

—-

2) 0,65< М<<0,75

Ъ) М;>0,8 5-5

рис. 9. К физической модели течения при запирании патрубка

его закрутки. Исследования моделей переходных каналов переменного сечения (рис.10) показали эффективность использования за выходным патрубком расширяющихся каналов.

Менее эффективными оказались средства активного воздействия на поток посредством различного рода плоскостных средств (перфорированные пластины). Большой эффект получен от использования объемных средств деформации потока (рис.11)¿Были также исследованы конструкции горловины конденсатора с различными системами жесткости корпусов (реберной, стержневой).

Установлено, что при оптимальной форме и соответствующих геометрических параметрах переходного патрубка можно получить дополнительный эффект восстановления давления, а также более равномерное поле скоростей перед трубным пучком конденсатора. Кроме того, установку различного рода парос.бросных устройств, элементов подогревателей и расширителей в пределах переходного патрубка необходимо осуществлять в строгом соответствии с особенностями аэродинамики потока в его каналах, результаты исследований которых достаточно широко представлены в диссертационной работе.

Поле скоростей в выходном сечении модели прямой проставил с силовыми связями (цифры на изотахах соответствуют значениям Си / Ситах)

Рис.11

На рис.12 показаны две конструкции модели горловины, где в исходной (а) Соковые стенки в плоскости расширения канала вдполнены с прямыми образующими. Это обусловило необходииость организации развитой системы жесткости корпуса посредством перегородок и стержней, что привело к низкой эффективности канала. Замена плоских стенок на криволинейные (рис.12,б) позволила существенно сократить количество элементов внутренней системы жрсткости и тем самым улучшить аэродинамические качества горловины конденсатора.

а) О)

Рис.12. Исследованные модели горловины конденсатора

Итоговыми являлись испытания полной модели выходного тракта ЦЦЦ турбоустановки, состоящего из выходного и переходного патрубков и горловины конленсатора с исследованными ранее средствами их оптимизации. Показана возможность в получении дополнительного восстановления давления за пределами выходного

патрубка. Для диапазона чисел Маха М4<0,50 достигнуто значение коэффициента полных потерь всего тракта ^=0,680.

ВЫВОДЫ

На основе результатов экспериментальных исследований течений в проточной части моделей выходных патрубков ЦНД паровых турбин, представленных в данной диссертационной работе, предлагаются следующие выводы:

1. подтверждено и расширено утверждение о крупномасштабном влиянии закрученных потоков в объеме сборной камеры на большинство экономических характеристик выходного тракта ЦНД турбоустановок с подвальной компоновкой конденсаторов. Это позволяет внести необходимые изменения в практику как проектирования, так и модернизации ЦНД паровых турбин различного назначения и мощности;

2. полученные на основе траверсирования типы полей скоростей и сечениях выходного патрубка дают возможность осуществить корректную постановку задач математического моделирования течений и тестирование результатов расчетных исследований. Определен тип "свободновынужденного" вихря в закрученном потоке с его деформацией в зависимости от интенсивности закрутки;

3. установлено, что кризисный рост потерь в патрубке определяется условиями взаимодействия трансзвуковой формы течения в диффузорном канале и высокой степени интенсивности закрутки потока в объеме сборной камеры. Подтверждена зависимость начала кризисного роста коэффициента полных потерь ^ выходного патрубка от числа М-2;

4. отработаны средства стабилизации волновых эффектов на обечайке диффузорного канала, что позволяет расширить бескризисный диапазон по числу Маха М^2 потока с его околозвуковыми значениями;

5. исследования процессов в критических режимах истечения дали возможность предложить механизм запирания в проточной части выходного патрубка и соответствующие ограничения в значениях чисел М-2 (М^2<0,70), используемых ныне за последней ступенью ряда мощных паровых турбин. В основе данного механизма лежит явление неустойчивости сильнозакрученных потоков, вызывающее смену полей скоростей в условиях перехода от до- к сверхкритическим режимам;

6. проведенные впервые исследования аэродинамики переходных каналов позволили сформулировать рекомендации по организации их

проточной части. Представленные способы и средства оптимизации переходных патрубков дают возможность роста эффективности выходного тракта ЦНД;

7. один из главных выводов данной диссертационной работы заключается в том, что более эффективными следует* считать основы проектирования выходных устройств ЦНД паровых турбин с подвальной компоновкой конденсаторов турбоустановок, определяемые

оптимизацией закрученных потоков в объеме сборной камеры.

Кроме представленных здесь, в соответствующих разделах диссертационной работы даны многочисленные выводы по текущим проблемам выполненных исследований.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Касилов В.Ф., Денисов В.Н., Зин Еддин X. Исследование средств стабилизации течения в каналах выходных патрубков ЦНД паровых турбин // Вестник МЭИ. - 1994. - ЖЗ. - С. 30-33.

2. Зин Еддин X., Касилов В.Ф. Аэродинамика переходных патрубков ЦНД паровой турбины // Теплоэнергетика. - 1994. - ЯП. -0. 59-62.

дпиеапо к печати Л— ,_ л ФИО

ч. л. у_Тираж /СУ Заказ 0*4

Типография .МЭИ, Красноказарменная, 13.