автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка и исследование путей повышения экономичности цилиндров низкого давления конденсационных паровых турбин

На правах рукописи

---

Юрик Елена Алексеевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ ЦИЛИНДРОВ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ КОНДЕНСАЦИОННЫХ ПАРОВЫХ ТУРБИН

Специальность 05.04.12 - Турбомашины и комбинированные турбоустановки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

' ЛЕН 2009

Москва 2009

003488934

Работа выполнена на кафедре паровых и газовых турбин Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Зарянкин Аркадий Ефимович доктор технических наук, профессор Рыженков Вячеслав Алексеевич

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

кандидат технических наук, Грановский Андрей Владимирович Калужский турбинный завод

Защита состоится в аудитории " Ф^МиА 2010

г. в

/3 час. мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.09

при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, кор. ¿.-й этаж.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан" г1 " 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.т.н., доцент

А.И. Лебедева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В условиях нарастающего дефицита электроэнергии при массовом старении установленного на электростанциях основного оборудования проблема повышения экономических показателей уже работающих турбоустановок приобретает особую актуальность.

Рассматривая возможность повышения внутреннего относительного КПД мощных энергетических турбин, в первую очередь следует обратить внимание на цилиндр низкого давления (ЦНД), поскольку именно здесь имеются ещё достаточно большие неиспользованные резервы повышения экономичности этой части паровой турбины

Отличительной особенностью ЦНД являются очень большие объемные расходы пара, которые интенсивно нарастают вдоль проточной части. Следствием этого процесса является очень большое раскрытие проточной части в меридиональном сечении, что существенно затрудняет процесс оптимального проектирования лопаточного аппарата. Ситуация осложняется и тем обстоятельством, что оценить степень эффективности тех или иных изменений в проточной части ЦНД на основе прямых измерений практически невозможно, и такие оценки ведутся на основе косвенных измерений.

Наличие в проточной части турбины регенеративных отборов, осуществляемых при малых осевых расстояниях между ступенями, является причиной нарушения осевой симметрии течения пара. Изменение давления торможения пара в окружном направлении ведет к окружному изменению располагаемых перепадов энтальпий на ступени. В результате лопаточный аппарат такой ступени работает при неоптимальных локальных значениях основного кинематического параметра Ха=и/Сф. При больших нарушениях симметрии экономичность ступени может снизиться на несколько процентов. При этом возникают неуравновешенные поперечные силы, способные привести к развитию низкочастотной вибрации ротора.

Наряду с потерями в проточной части большие потери энергии

имеются во входном и выходном патрубках.

Если вопросам совершенствования выхлопных патрубков посвящено достаточного много работ, то исследованию входных патрубков ЦНД уделялось существенно меньше внимания, хотя сама проблема рациональной организации подвода пара к первым ступеням двухпоточных ЦНД с практической точки зрения не менее важна, чем совершенствования выхлопных патрубков.

Суть проблемы состоит в том, что при очень малых осевых размерах и дискретном подводе пара к входному патрубку ЦНД перед первой ступспыо возникает очень сильная охсру/ККйл я радиальная

неравномерность входных полей скоростей, которая сохраняется и на выходе из соплового аппарата. Указанное обстоятельство ведет к снижению экономичности не только первой, но и последующих ступеней ЦНД.

Поиску решения обозначенных проблем и посвящена настоящая работа.

Объект исследования. Объектами исследования являются:

- входной патрубок ЦНД совместно с сопловым аппаратом первой ступени;

- система отбора пара из проточной части ЦНД-

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является:

- исследование влияния входной окружной неравномерности, обусловленной отбором рабочей среды через кольцевую щель, на потери энергии и неравномерность среды за последующим сопловым аппаратом;

- исследование влияния неравномерности потока перед входом в сопловой аппарат первой ступени ЦНД, обусловленная дискретным подводом пара во входной патрубок, где поток разворачивается в обе стороны на 90°;

- исследование способов снижения потерь энергии в системе отбора

пара из протонной части ЦНД и подвода пара к первой ступени ЦНД.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить степень влияния дискретного подвода рабочей среды к первой ступени ЦНД на характеристики соплового аппарата этой ступени турбины;

- определить влияние регенеративных отборов пара на характер течения в сопловом аппарате послеотборной ступени; рсюри^отйтг» и к сс л с д с з пть способы 1>^1р««111*15а1111я окружной неравномерности параметров потока и полей скоростей перед первой ступенью ЦНД и перед послеотборными ступенями:

- на основе проведенных исследований разработать конструктивную схему входного патрубка ЦНД, позволяющую до минимума свести отрицательное влияние дискретного подвода пара к первой ступени рассматриваемого цилиндра.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы широко использовались общепризнанные и отработанные методы проведения экспериментов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных исследований с опубликованными данными натурных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложены и исследованы модели входных патрубков ЦНД, использование которых позволило на 60% снизить окружную неравномерность потока и одновременно снизить потери энергии в сопловой решетке на 1.2% и пульсаций давления на 1248% от начального давления рабочей среды;

- предложена и испытана новая схема организации нерегулируемых

отборов пара через диффузорную кольцевую щель, использование которой позволяет снизить сопротивление в линии отбора рабочей среды, до минимума сократить нарушение осевой симметрии течения и, таким образом, исключить влияние нерегулируемых отборов пара на КПД послеотборной ступени.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные схемы профилированного входного патрубка ЦНД и новая организация отбора рабочей среды через осерадиальную кольцевую щель при минимальных зятпятяу мпг\гг быть использованы пля повышения экономичности и надежности ЦНД.

Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные схемы профилированного входного патрубка ЦНД и схема отбора пара из ЦНД через диффузорный кольцевой канал переданы на ЛМЗ для использования при проектировании новых турбин.

Личный вклад автора заключается в:

- проведении обзора и анализа литературных данных;

.- проведении экспериментальных исследований входного патрубка ЦНД и отбора среды из проточной части;

- проведении анализа полученных экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и

докладывались на:

- 15-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". - М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г.;

- газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 18 ноября 2009 г.;

- заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 24 ноября 2009 г.

Публикации. По результатам диссертационной работы было опубликовано 2 научных статьи и 1 доклад на международной конференции.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования входного патрубка ЦНД;

- результаты экспериментального исследования новой организации регенеративного отбора из проточной части ЦНД.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включаюшей 43 наименования. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрируется 61 рисунком на 55 страницах, список литературы, изложенный на 5 страницах, и содержит 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание глав работы.

В первой главе представлен краткий обзор литературных источников, посвященных вопросам, в той или иной степени связанных с предметом настоящих исследований.

В частности, большое внимание уделено рассмотрению влияния входной неравномерности, имеющей место во входном патрубке ЦНД, на экономичность первой ступени, и рассматриваются условия работы этой ступени ЦНД, воспринимающей неравномерный в окружном направлении поток из камеры входного патрубка.

Для этого патрубка потери обусловлены, во-первых, необходимостью развернуть поток пара на 90° в направлении первой ступени в ограниченном объёме, и, во-вторых, тем, что весь пар, который подводится к двухпоточному цилиндру, произвольно делится на две части, и каждая часть разворачивается на 90° в противоположных осевых направлениях. Эта

неуправляемая картина течения порождает очень высокие пульсации давления н высокую окружную и радиальную неравномерность, что ведет к снижению экономичности не только первой, но и последующих ступеней

цнд.

В качестве решения указанной проблемы в литературе предлагается использование радиально-осевых ступеней различных типов в ЦНД мощных паровых турбин. Эта идея широко обсуждалась в конце 70-х - начале 80-х годов в связи с целым комплексом исследований, проводимых в МЭИ (ТУ) и ЛГТУ (бывшее ЛПИ). Однако предлагаемые различные типы таких ступеней не нашли пока практического применения з сеязи с большими прочностными и технологическими проблемами, возникающими при создании таких ступеней.

Вторая часть работы и соответствующий этой части обзор литературы затрагивают проблему регенеративных отборов из проточной части ЦНД.

Результаты исследований, приведенные в литературе, показывают, что отборы снижают экономичность послеотборных ступеней б связи с сильной деформацией полей скоростей в проточной части турбины (работы Зарянкина А.Е., Парамонова А.Н., Лапина Н.В., Марченко Ю.А., Фичоряк О.М.).

При этом большое значение приобретают вопросы оптимизации кольцевого канала, соединяющего камеру отбора с проточной частью турбины. Снижение гидравлического сопротивления отборного тракта возможно, по мнению ряда авторов, за счёт установки в камере отбора кольцевых диффузоров (работы И.Г. Гоголева, А.Е. Зарянкина, А.Н. Парамонова).

В заключительной части первой главы формулируются цели и задачи настоящего исследования.

Во второй главе дано описание вновь созданных установок, которые использовались как для исследования характера течения во входном патрубке ЦНД и з последующем сопловом аппарате первой ступени ЦНД,

так и для исследования влияния отбора пара из проточной части турбины на характер течения в сопловом аппарате послеотборной ступени. По конструкции установки почти идентичны.

Установка для исследования входного патрубка (рис. 1) состоит из корпуса (1) с двумя подводящими патрубками (2), по которым сжатый воздух подводится в кольцевую камеру (3), ограниченную центральным цилиндром (4), торцевой стенкой (5) и корпусом установки. Из кольцевой камеры воздух подается в сопловой аппарат (6) и далее в атмосферу.

Рис. 1 Чертеж модели паровпускного патрубка

Для траверсирования выходного поля полных напоров на внешней стороне соплового аппарата располагалось поворотное кольцо (7) с зондом полных напоров (8), которое было снабжено лимбом, обеспечивающим отсчет углов поворота с угловым шагом, равным 5°. Для поворота кольца

использовалась рукоятка (9).

Во входном сечении соплового аппарата был установлен зонд полных напоров (10), имеющий возможность поворачиваться вокруг продольной оси установки. Угол поворота отсчитывался по лимбу (11), закрепленному на торцевой стенке (5).

Используемая система измерений позволяла определять суммарные потери на установку, потери непосредственно в патрубке, потери на сопловую решётку и распределение полных напоров на среднем диаметре за сопловой решёткой при различных вариантах исполнениях входного

гт с1тт;(ль"о

Влияние отборов на экономичность послеотборных ступеней исследовалось на установке, показанной на рис. 2.

2

Ряс. 2 Чертеж экспериментальной установки для исследования отбора пара из проточной части паровой турбины

В данном случае это модифицированный вариант первой установки. От предыдущего он отличается следующим: внутри корпуса была расположена перфорированная стенка 5, через перфорацию которой воздух подается из кольцевой камеры 3 в проточную часть 6. Над цилиндром 4 установлена внешняя подвижная обечайка 7 на расстоянии Д от кольца 8, подводящего воздух к исследуемому сопловому аппарату 9.

Отвод воздуха производится из кольцевой камеры 10, имитирующей камеру отбора, по трубопроводу 12. Меняя зазор А можно было менять количество воздуха, идущего в отбор.

ИСиСЛЬЗуСМил ЗДССЬ СНСТСти ПС32 О Л "Л С* С Ц £11II зать

гидравлическое сопротивление отборной щели и потери энергии во всем отборном тракте.

Все основные измерения проводились с использованием современного измерительного комплекса «Мера» в сочетании со стандартной измерительной аппаратурой. В дополнение к известным коэффициентам потерь энергии для оценки степени неравномерности потока использовался специальный коэффициент неравномерности Ф, представляющий собой следующее выражение

АРоф -АР*

-шах

лг

Ф:

ДРо„

где ДР0р - среднее относительное избыточное давление полного торможения, определяемое по соотношению

: д ртах .

п

ДР0т", ДР^" - осредненные значения двух выборок отклонений значений избыточного давления полного торможения от среднего давления ДР0'£,

д т;> _^ др _^

удовлетворяющих условиям >ДРо® ;=1 -к и < АРа<>

определяемые по соотношениям

^ А Р1

к

)|пах С (о '

) тач (V/

В заключительной части второй главы приведена оценка погрешностей при определении коэффициентов потерь энергии.

Третья глава посвящена исследованию характера течения во входном патрубке и в сопловом аппарате первой ступени.

Исследовались шесть вариантов моделей входного патрубка, показанных на рис. 3. В качестве базовой модели использовалась модельная установка паровпускного патрубка, приведенная на рис. 1. В варианте «а» (рис. 3) внутри патрубка устанавливались две профилированные вставки, частично разделяющие патрубок на две части, причем это разделение имело место в плоскости, перпендикулярной входным патрубкам в модель. В следующей модели (вариант «б») для выравнивания параметров потока перед сопловой решеткой была установлена перфорированная сетка. В варианте «в» в плоскости, перпендикулярной входным трубам было установлено одно сплошное ребро, полностью перегораживающее кольцевую камеру патрубка, а в варианте «г» эту камеру перегораживало два ребра. Наконец, в варианте «д» против входных труб размещалось два профилированных ребра, обеспечивающих разделение потока на две изолированные части.

Итоговые результаты проведенных исследований, сведенные в табл. 1, указывают на целесообразность практического использования простейшего варианта с двумя профилированными разделительными ребрами, установленными против диаметрально расположенных трубопроводов, подводящих пар к входному патрубку ЦНД. По сравнению с базовым вариантом в этом случае почти в два раза снижается коэффициент окружной неравномерности потока, и на 3,7% уменьшаются потери энергии в системе «входной патрубок-сопловой аппарат первой ступени ЦНД».

д)

Рис. 3 Модели входного патрубка

Табл. 1 Результаты исследования моделей входного патрубка

Модель Коэффициент неравномерности Ф Суммарные потери <Г>% Потери в патрубке Cnami % Потери в сопловой решетке С, %

Базовый вариант 0,26 16,5 7,3 9,2

Модель с профилированной цилиндрической поверхностью (рис. 3, а) 0,19 15,2 6,8 8,4

Модель с цилиндрической перфорированной сеткой (рис. 3, б) 0,15 22,3 14,4 7,9

1 мидель с одним ' разделительным ребром I (рис. 3, в) 1 15,4 - -

Модель с двумя | I 0 231 разделительными 1 ребрами (рис. 3, г) ! 14,3 5,6 8,7

Модель с двумя i профилированными j 0,15 ребрами (рис. 3, д) j 12,8 5,8 7

На рис. 4 показано, как меняются коэффициенты потерь в решетке и СР2 и коэффициенты потерь в патрубке Сп\ и ^ Для исходного (индекс 1) и для патрубка с двумя профилированными ребрами (индекс 2) при изменении скорости потока за решеткой Ми. Хорошо видно, что переход к патрубку с указанными ребрам существенно снижает потери и в решетке и в патрубке во всем диапазоне скоростей Мц.

Кроме того необходимо отметить, что в рассматриваемом простейшем варианте модернизации входного патрубка кроме снижения потерь энергии резко снижается и уровень пульсаций давления перед сопловым аппаратом. На рис. 5 дано сопоставление осциллограмм пульсаций давления и амплитудно-частотная характеристика для исходной модели (рис. 5а) и для модели с профилированными ребрами, установленными против подводящих труб (рис. 56) при М|,=0,5. Установка ребер привела к снижению пульсаций давления примерно в два раза, причем очень сильно снизились пульсации давления на частоте, равной 2000 Гц.

(р,цп 0,11

Рис, 4 Зависимость коэффициентов потерь в решетке и в патрубке от числа Ми для исходного варианта патрубка и патрубка с двумя профилированными

ребрами

Четвертая глава посвящена исследованию и конструктивной разработке оптимизированной системы отбора пара из межступенчатого пространства с минимальным нарушением окружной неравномерности перед последующей ступенью.

Проведенные исследования показали, что наибольшая часть гидравлического сопротивления в системе регенеративных отборов пара приходится непосредственно на кольцевую отборную щель. При этом коэффициент сопротивления щели в большей степени зависит от осевой скорости основного потока в пространстве между ступенями. Этот коэффициент растет пропорционально квадрату указанной осевой скорости.

Для ликвидации блокирующего влияния осевой скорости была предложена новая схема организации отбора рабочей среды из межступенчатого пространства турбины, и проведено соответствующее исследование на плоской модели, схематически изображенной на рис.6.

Рис. 5а Осциллограмма пульсаций давления и амплитудно-частотная характеристика для исходной модели при Мц=0,5

-5000 Л-

кю-з

Ц ,1

1 ?

1

1 -|"'-...Ч|1 II .4 — -----

У,Ги

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Рис. 56 Осциллограмма пульсаций давления и амплитудно-частотная характеристика для модели с профилированными ребрами, установленными против подводящих труб при Мц=0,5

1 2

Рис. 6 Плоская схема модели отбора среды с помощью отсекающего

козырька

С помощью периферийного козырька отсекалась часть потока среды, которая направлялась в осерадиальный диффузорный отборный канал. Использование плоских моделей в данном случае оправдано тем обстоятельством, что ступени мощных паровых турбин имеют достаточно большие диаметры (0>1000 мм), и здесь замена кольцевых каналов плоскими моделями вполне допустима.

Результаты этих исследований приведены на рис. 7, где показано, как меняется коэффициент потерь на щели в зависимости от скорости осевого потока между ступенями при стандартной схеме регенеративного отбора и при полном отборе пара с периферии ступени.

Если при стандартной схеме отбора пара с ростом осевой скорости до 70 м/с коэффициент увеличился почти в два раза, то при использовании схемы отбора, показанной на рис.6, указанный коэффициент с ростом скорости са имел выраженную тенденцию к снижению при сохранении почти равномерного поля скоростей за отборней щелью. Эти результаты имеют важное практическое значение, поскольку в зазоре между ступенями осевые скорости достигают 100*120 м/с, и при таких скоростях нарастание

сопротивления в линиях отвода пара к регенеративным подогревателям может вести к недогреву конденсата. Кроме того блокирующая роль осевого потока может существенно снизить сепарационные возможности регенеративных отборов пара в ЦНД.

^П 0,8 0.75 ,7 0.65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35

О 10 20 30 40 50 60 70

С, м/с

Рис. 7 Зависимость коэффициента полных потерь диффузора о г величины поперечной скорости

Предлагаемая новая схема организации регенеративных отборов пара из проточной части применительно к одному из отсеков мощной паровой турбины приведена на рис. 8. Здесь предотборная ступень 1-2 выполнена без надбандажных уплотнений, и весь поток пара, проходящий над бандажом 4 рабочего колеса (канал 3), направляется в осерадиальную профилированную щель 5, внутренняя поверхность которой имеет несколько рядов перфорации 6, обеспечивающей стабильность течения при развороте потока в радиальное направление.

Основная сложность при такой организации отборов пара состоит в том, что за сопловой решеткой поток имеет сильную закрутку, и это неизбежно увеличивает сопротивление в линии отбора. В этой связи в работе рассматривался и вариант с сохранением надбандажных уплотнений и смещение отборного козырька 6 на меньший диаметр.

Рис. 8 Отвод пара из проточной части турбины в камеру отбора с перфорированным периферийным обводом соплового аппарата

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Применительно к ЦНД мощных конденсационных турбин наиболее сильным источником окружной неравномерности потока являются входные патрубки и системы регенеративных отборов пара из проточной части, что требует серьезных конструктивных изменений в указанных частях турбины.

2. В результате исследований различных вариантов организации течения во входном патрубке ЦНД коэффициент окружной неравномерности параметров потока перед первой ступенью была снижена на 60%, пульсации давления перед сопловым аппаратом снизились с 30% от начального давления рабочей среды до 12%, а потери энергии в лопаточном аппарате уменьшились на 1,2%.

3. Существующая система организации отбора пара из проточной части турбины на регенеративные подогреватели через радиальную щель имеет очень высокое гидравлическое сопротивление, величина которого сильно зависит от продольной (осевой) скорости са пара, и при са = 60-^80 м/с

коэффициент сопротивления отборной щели достигает значения, равного 5*6%.

4. Разработана и исследована новая схема организации отбора пара на регенеративные подогреватели через периферийный осерадиальный канал, воспринимающий надбандажную протечку пара над рабочим колесом, лопатки которого установлены с отрицательной перекрышей относительно лопаток соплового аппарата.

В результате почти в 2 раза снизился коэффициент сопротивления в линии отбора, и практически исчезло влияние регенеративного отбора пара на поле скоростей перед сопловым аппаратом послеотборной ступени.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М., Носков В.В., Шебашова Б.А. О влиянии регенеративных отборов пара на характер течения в послеотборных сопловых решетках. Тяжелое машиностроение. №12.2009. С. 2*6.

2. Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Шебашова Е.А., Арианов C.B. Новый двухъярусный цилиндр низкого давления для сверхмощных паровых турбин. Тяжелое машиностроение. №7.2008. С. 2*5.

3. Зарянкин А.Е., Шебашова Е.А. Новый двухъярусный цилиндр низкого давления для сверхмощных паровых турбин // Тезисы докладов пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Том 3. -М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г., с. 268-269.

Подписано в печать 01 Â Î^J Тир. (00 П.л. i'A^

Полиграфический цзнтр МЭИ [ТУ) Красноказарменная ул.,д. 13

Введение.

1 Краткий обзор литературных данных по предмету проводимых исследований. %.

1.1 Предмет исследований.

1.1.1 Влияние геометрических параметров проточной части паровпускного патрубка ЦНД на его экономичность.

1.1.2 Влияние отборов на структуру потока и экономичность турбин с отбором пара из проточной части.

1.2 Задачи исследований.

2 Описание экспериментальных установок, методика испытаний, оценка погрешностей измерений.

2.1 Описание экспериментальных установок.

2.1.1 Описание экспериментальной установки для исследования входного патрубка совместно с сопловым аппаратом.

2.1.2 Описание экспериментальной установки для исследования отбора пара из проточной части паровой турбины.

2.2 Средства измерений, используемые при модельных исследованиях.;.

2.3 Методики обработки результатов испытаний. Расходный метод оценки коэффициента потерь энергии.

2.3.1 Методика обработки опытных данных, полученных при исследовании входного патрубка.

2.3.2 Методика обработки опытных данных, полученных при исследовании влияния отбора пара на экономичность соплового аппарата.

2.4 Оценка погрешности результатов исследований.

2.4.1 Коэффициент суммарных потерь энергии в экспериментальной установке.

2.4.2 Коэффициент полных потерь в патрубке.

3 Экспериментальное исследование входного патрубка совместно с сопловым аппаратом.

4 Исследование влияния отборов на течение рабочего тела в околоотборном отсеке и отборном тракте.

Актуальность работы. В условиях нарастающего дефицита электроэнергии при массовом старении установленного на электростанциях основного оборудования проблема повышения экономических показателей уже работающих турбоустановок приобретает особую актуальность.

Рассматривая возможность повышения внутреннего относительного КПД мощных энергетических турбин, в первую очередь следует обратить внимание на цилиндр низкого давления (ЦНД), поскольку именно здесь имеются ещё достаточно большие неиспользованные резервы повышения экономичности этой части паровой турбины.

Наличие в проточной части, турбины регенеративных отборов, осуществляемых при малых осевых расстояниях между ступенями, является причиной нарушения осевой симметрии течения пара. Изменение давления торможения пара в окружном направлении ведет к окружному изменению располагаемых теплоперепадов ступени. В результате лопаточный аппарат такой ступени всегда работает при неоптимальных локальных значениях основного кинематического параметра Ха~и/Сф. При больших нарушениях симметрии экономичность ступени может снизиться на несколько процентов. При этом возникают неуравновешенные поперечные силы, способные привести к развитию низкочастотной вибрации ротора.

Наряду с потерями в проточной части большие потери энергии имеются во входном и выходном патрубках.

Если вопросам совершенствования выхлопных патрубков посвящено достаточного много работ, то исследованию входных патрубков ЦНД уделялось существенно меньше внимания, хотя сама проблема рациональной организации подвода пара к первым ступеням двухпоточных ЦНД с практической точки зрения не менее важна, чем проблема совершенствования выхлопных патрубков.

Суть проблемы состоит в том, что при очень малых осевых размерах и дискретном подводе пара к входному патрубку ЦНД перед первой ступенью ЦНД возникает очень сильная окружная и радиальная неравномерность входных полей скоростей, которая сохраняется и на выходе из соплового аппарата. Указанное обстоятельство ведет к снижению экономичности не только первой, но и последующих ступеней ЦНД.

Поиску решения обозначенных проблем и посвящена настоящая работа.

Объект исследования. Объектами исследования являются: входной патрубок ЦНД совместно с сопловым аппаратом первой ступени; система отбора пара из проточной части ЦНД.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является: исследование влияния входной окружной неравномерности, обусловленной отбором рабочей среды через кольцевую щель, на потери энергии и неравномерность среды за последующим сопловым аппаратом; исследование влияния неравномерности потока перед входом в сопловой аппарат первой ступени ЦНД, обусловленной дискретным подводом пара во входной патрубок, где поток разворачивается в обе стороны на 90°; исследование способов снижения потерь энергии в системе отбора пара из проточной части ЦНД и подвода пара к первой ступени ЦНД.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить степень влияния дискретного подвода рабочей среды к первой ступени ЦНД на характеристики соплового аппарата этой ступени турбины; определить влияние регенеративных отборов пара на характер течения в сопловом аппарате послеотборной ступени; разработать и исследовать способы выравнивания окружной неравномерности параметров потока и полей скоростей перед первой ступенью ЦНД и перед послеотборными ступенями; на основе проведенных исследований разработать конструктивную схему входного патрубка ЦНД, позволяющую до минимума свести отрицательное влияние дискретного подвода пара к первой ступени рассматриваемого цилиндра.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы широко использовались общепризнанные и отработанные методы проведения экспериментов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных исследований с опубликованными данными натурных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложены и исследованы модели входных патрубков ЦНД, использование которых позволило на 60% снизить окружную неравномерность потока и одновременно снизить потери энергии в сопловой решетке на 1,2% и пульсации давления на 12-48% от начального давления рабочей среды;

- предложена и испытана новая схема организации нерегулируемых отборов пара через диффузорную кольцевую щель, использование которой позволяет снизить сопротивление в линии отбора рабочей среды, до минимума сократить нарушение осевой симметрии течения и, таким образом, исключить влияние нерегулируемых отборов пара на КПД послеотборной ступени.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные схемы профилированного входного патрубка ЦНД и новая организация отбора рабочей среды через осерадиальную кольцевую щель при минимальных затратах могут быть использованы для повышения экономичности и надежности ЦНД.

Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные схемы профилированного входного патрубка ЦНД и схема отбора пара из ЦНД через диффузорный кольцевой канал переданы на ЛМЗ для использования при проектировании новых турбин.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:

- 15-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". - М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г.

- газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 18 ноября 2009 г.;

- заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 24 ноября 2009 г.

Публикации.

1. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М., Носков В.В., Шебашова Е.А. О влиянии регенеративных отборов пара на характер течения в послеотборных сопловых решетках. Тяжелое машиностроение. №12. 2009. С. 2-6.

2. Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Шебашова Е.А., Арианов C.B. Новый двухъярусный цилиндр низкого давления для сверхмощных паровых турбин. Тяжелое машиностроение. №7. 2008. С. 2^-5.

3. Зарянкин А.Е., Шебашова Е.А. Новый двухъярусный цилиндр низкого давления для сверхмощных паровых турбин // Тезисы докладов пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Том 3. - М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г., с. 268-269.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования входного патрубка ЦВД;

- результаты экспериментального исследования новой организации регенеративного отбора из проточной части ЦНД.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающего 43 наименования. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрируется 61 рисунком на 55 страницах, список литературы, изложенный на 5 страницах, и содержит 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенные исследования показали, что окружная неравномерность параметров потока перед сопловым аппаратом турбинной ступени ведет к заметному увеличению потерь энергии и не исчезает после прохождения конфузорных межлопаточных каналов, что не только снижает экономичность ступени, но и является источником появления неуравновешенных сил непосредственно на рабочем колесе.

2. В результате исследований различных вариантов организации течения во входном патрубке ЦНД окружная неравномерность параметров потока перед первой ступенью была снижена на 60%, пульсации давления перед сопловым аппаратом снизились с 30% от начального давления рабочей среды до 12%, а потери энергии в лопаточном аппарате уменьшились на 1,2%.

3. Существующая система организации отбора пара из проточной части турбины на регенеративные подогреватели через радиальную щель имеет очень высокое гидравлическое сопротивление, величина которого сильно зависит от продольной (осевой) скорости са пара, и при са= 60-80 м/с коэффициент сопротивления отборной щели достигает значения, равного 5-6%. При этом на угловой координате, соответствующей расположению отводящего паропровода, максимальное снижение давления полного торможения перед сопловым аппаратом достигает 7%.

4. Разработана и исследована новая схема организации отбора пара на регенеративные подогреватели через периферийный осерадиальный канал, воспринимающий надбандажную протечку пара над рабочим колесом, лопатки которого установлены с отрицательной перекрышей относительно лопаток соплового аппарата.

В результате почти в 2 раз снизился коэффициент сопротивления в линии отбора, и практически исключилось влияние регенеративного отбора пара на поле скоростей перед сопловым аппаратом послеотборной ступени.

• . 126 . *'';' :

1. А.С. 193838 СССР, МКИ В 23 39/00. Радиально-осевая турбинная ступень./А.Г. Поповьян; Г.И. Иванов. 3 е., илл.

2. А.С.343066 СССР. МКИ Б01025/30.; Камера отбора турбомашины / , И.Г. Гоголев, Р.И. Дьяков, Р.В. Кузьмичев, А.И. Алексо // Открытия, изобретения. 1972, №20:

3. А.С.406026 СССР. МКИ БО1025/30. Камера отбора турбомашины / И.Г. Гоголев, Р.И. Дьяков, Р.В;- Кузьмичев, А.И. Алексо // Открытия, изобретения. 1973, №43.= '

4. А.С. 1262065 СССР. МКИ Г01025/30. Камера отбора паровой турбины/ А.Е. Зарянкин, А.Н. Парамонов и др.7/ Открытия, изобретения. 1986, №37. '

5. А С.1359439 'СССР. МКИ Г01Е>25/30. Камера отбора паровой турбины/ А.Е. Зарянкин, В.Е. Каращук, В.Г. Грибин и А.Н. Парамонов // Открытия, изобретения. 1987, №46.

6. А.С. 1483052 СССР. МКИ Р01025/30. Камера отбора паровой турбины/ А.Е. Зарянкин, В.Г. Грибин, В.Е. Каращук, К.Я. Макаров и А.Н. Парамонов//Открытия, изобретения. 1989; №20.;

7. Александров К.К. Исследование характеристик двухпоточных радиально-осевых турбинных ступеней при различных геометрических и режимных параметрах: Авторефдисс.канд.техн.наук. М., МЭИ, 1974. -21 с.

8. Аэродинамические и вибрационные, исследования отсека низкого давления турбины с отборами пара / Т.М. Зильбер, Ю.Ф.Косяк, В.Н. Галацан и др. // Теплоэнергетика, 1987, №8, с. 14-18.

9. Биржаков М.Е., Литйнецкий В.В. Радиально-осевые ступени мощных паровых турбин. Л.: Машиностроение.' 1983.219с.

10. Влияние кольцевой щели на'входе. на работу турбинной ступени с резким раскрытием проточной части / Я.И. Шнее, М.С. Звоницкий, В.Н. Пономарев и др. // Теплоэнергетика-,>1968^ №11, с.40-42.

11. Влияние регенеративного отбора пара на экономичность ступеней низкого давления паровых турбин / Л.Л.Симою, В.П. Лагун, Ю.В. Наман и др. // Теплоэнергетика, 1977, №2, с.36-39.

12. Гоголев И.Г. Аэродинамическое исследование входного патрубка газовой турбины. Изв. Вузов. Энергетика, 1959, №11, с. 100-107.г

13. Грибин В.Г. Разработка методов воздействия на режим течения и потери энергии в каналах комбинированных турбоустановок. Автореф. дисс. на соискание ученой степени док.техн.наук. Москва, 2002. 20 с.

14. Гродзинский В.Л., Фролов В.И., Клубань Е.С. Влияние формы щели отбора на окружную неравномерность параметров в проточной части // Энергетическое машиностроение, 1987, №43, с.7-11.

15. Дарчиев Д.Г. Исследование двухпоточных радиально-осевых турбинных ступеней (ДРОС): Автореф.дисс.канд.техн.наук. М., МЭИ, 1979. 20 с. '

16. Двухпоточные радиально-осевые ступени для мощных паровых турбин./ Александров К.К., Фролов В.В.// М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ ("Энергетическое оборудование"). 1975. № 3.

17. Жилинский В.П. Исследование выхлопных патрубков паровых турбин при околозвуковых скоростях на входе: Автореф. дисс! . .канд.техн.наук. — М., 1978. 20.

18. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н. Влияние промежуточных отборов пара на характеристики околоотборных ступеней // Энергомашиностроение, 1989, №7, с.

19. Зацепин М.Ф. Исследование элементов проточной части центростремительных турбин: Дисс. канд.техн.наук М. МЭИ. 1961. 223 с.

20. Исследование и разработка двухпоточных радиально-осевых ступеней мощных паровых турбин. Отчёт по НИР. Ч.2./Рук. темы Лазарев Л.Я.//МЭИ. 1980. № гос. регистрации-77016713.

21. Исследование конструкций двухпоточных радиально-осевых ступеней турбин./ Кириллов И.Й., Биржаков М.Б., Сорокин H.A., Литенецкий В.В./ М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ ("Энергетическое оборудование"). 1979. №6.

22. Исследование полей давлений в камерах ступеней регенеративных отборов паровой турбины / А.Г. Прокопенко, A.B. Лазаренко, A.C. Пилийчук и др. // Теплоэнергетика, 1969, №5, с.41-42.

23. Лапин Н.В:, Марченко Ю.А. Организация отборов пара в проточной части и их влияние на экономичность ступеней // Тр. ЦКТИ, 1981, №184, с. 106-112.с

24. Лаптева З.А., Таушканова В.Б. Испытания входных патрубков турбин и осевых компрессоров. В.кн.: Исследование элементов паровых и газовых турбин и осевых компрессоров. -М. - Л.: Машгиз, 1960, с. 107-116.

25. Мидзумати Н. Исследование радиальных газовых турбин. Машгиз. 1961. 278 с.

26. Модульная серия паровых турбин фирмы ABB с промперегревом. / Фирменный проспект. 1998. 1

27. Никитин A.A., Селезнев К.П., Шкарбуль С.Н. Исследование входных патрубков центробежных компрессоров. Энергомашиностроение, 1966, №9, с.26-29.

28. Орлов И.И. Продувка моделей входного патрубка осевого компрессора. Вестник машиностроения, 1954, № 6, с. 12-15.

29. Парамонов А.Н. Разработка и исследование систем нерегулируемых отборов турбин ТЭС и АЭС. Автореферат дис. канд. техн. наук, М., 1990.

30. Первая ступень двухпоточной паровой турбины. Швейцарский патент, кл-F 01 d 3/02, F 01 d 9/02, № 545414 с приоритетом от 31.10.72 г.

31. Поповьян А.Г. Разработка и исследование двухпоточной радиально-осевой ступени (ДРОС) и некоторые вопросы её проектирования и применения. Автореф.дисс. канд.техн.наук. М., 1979. - 20 с.

32. Распределение газодинамических параметров потока в модели камеры регенеративного отбора турбины / В.Н. Голощапов, В.А. Барсуков, В.А. мацренко и др. // Энергетическое машиностроение, 1978, №25, с.56-60.

33. Результаты исследования тракта отбора паровой турбины на статической установке/ Л.А. Зарубин, В.П. Орловский, В.Н. Галицын и др. // Энергетическое машиностроение, 1986, №23, с.52-57.

34. Розенберг Г.Ш. Судовые центростремительные газовые турбины. Судостроение. 1964. 205 с.

35. Рохлин В.Е., Бакурадзе М.В. Проектно-расчетное исследование проточной части с разделением и поворотом потока для быстроходных турбоагрегатов. Труды ЦКТИ Выпуск 192, с. 46-51.

36. Турбины тепловых и атомных электрических станций. Под редакцией Костюка А.Г. и Фролова В.В. Издательство МЭИ, 2001.

37. Тюфяков Й.И. Исследование аэродинамических характеристик выхлопных патрубков при нерасчетных режимах работы турбинной ступени. Автореф.дис. . канд.техн.наук. М., 1978. - 20 с.

38. Фадеев В.А. Характеристики осевой турбинной ступени с радиальным сопловым аппаратом при полном и частичном подводе рабочего тела: Автореф.дис.канд.техн.наук. М. МЭИ. 1992. 18 с.

39. Фичоряк О.М. Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин: Автореф.дис. . канд.техн.наук. М., 2007. - 20 с.

40. Чижов В.В. Экспериментальное исследование проточной части диагональной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом: Дисс.канд.техн.наук. М. 1979. 177 с.

41. Шерстюк А.Н. Расчет течений в элементах турбомашин. М.: Машиностроение, 1968. - 187 с.

42. Шерстюк А.Н., Динеев Ю.Н., Симонов/В.И. О влиянии и формы сечения улитки на параметры потока перед сопловым аппаратом. Труды НАМИ, 1972, вып. 134, с. 20-25.

43. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976. 208 с.

44. Штрейнберг A.C. Гидравлическое сопротивление тангенциальной камеры сгорания и газосборника газотурбинного двигателя с радиальной турбиной. Автомобильная'промышленность, 1966, №2, с. 6-10.

45. Экспериментальное исследование сопловой решетки с входным патрубком-улиткой. И.Г. Гоголев, П.В. Королев, Ю.Д. Кудашев и др. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1978, № 4, с. 166-170.

46. Albring W. Probleme bei der Gestaltung verlustarmer Gehäuze von Stromungmaschinen. Zeitschrift der Technische Hochschüle Dresden, 1965, №5.

47. Butikofen J., Wieland U. Modern Niederdruck-Dampfturbinen// VGB Kraft-werkstechnik. 1991. № 4. S. 341-345.

48. Japikse D. Review Progress in Numerical Turbomachinery Analysis/ -Trans, of ASME, ser. D, 1976, № 4, pp. 98-115.