автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.12, диссертация на тему:Разработка теории и основ проектирования оптимизированной проточной части турбин с увеличенным моторесурсом на базе пространственных моделей течения влажного пара

? Г 6 ОДЖШСИИ ЭНФЮТаЧЬ'СЫ'Ш МСЪЛУТ

РАЗРАБОТКА ТЕОРИИ И ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМИЗИРОВАННОЙ' ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ТУРБИН С УВЕЛИЧЕННЫМ МОТОРЕСУРСОМ НА БАЗЕ ИРОСТРАНСТНШ-НЫХ МОДЕЛЕЙ ТЕЧШИЯ ВЛАЖНОГО ПАРА

Специальность 05.04.12 г турбомашшы и турбоустановки

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

(ТЕХШ1ЧССКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

I ¡1 *ПР '-Т';

На праЕах рукоп:

Бабот Феликс Носонович

Москва

- 1994

Работа выполнена в АО "Калужский турбинный завод"

Официальные оппоненты - доктор технических наук

профессор Б.И. Трояновский

доктор технических наук профессор И,П. Фадеев

доктор технических наук профессор Б.А. Аркадьев

Ведущая организация - Санкт-Петербургский Кировскйй завод.

Защита состоится 20 мая 1994 г. в 13 00 в аудитории 409 на заседании специализированного Совета Д 053.16.03 при Московском энергетическом институте по адресу: 105835, ГСП, Москва, Е-250, ул Красноказарменная, дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С .диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " " _ 1994г.

Председатель

специализированного Совета Л 053.16.03 д.т.н.,проф.

А.Г.КОСПОК

ОБЩАЯ ХАРАКТШСШКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В связи с всё более и более расширяющимся внедрением атошнх паропроизводящих установок подавляющее большинство транспортных турбомашин, как главных конденсаг-ционных большй мощности, так и вспомогательных, работают на . слабо- перегретом водяном паре, параметры которого уже перед первой нерегулируемой ступенью в главных турбинах и в сверх -звуковых соплах' первых ступеней вспомогательных турбопри водов находятся вблизи линии насыщения. В аналогичных условиях работают шщные конденсационные турбины атомных электростанций п последние ступени мощных турбин ГРЭС.

В решении УП Всесоюзной конференции "Двухфазны;! шток в энергетических машинах и аппаратах", проводимой Госкомитетом СССР по науке и технике совместйо с Научным Советом АН СССР по комплексной проблеме "Теплофизика и.теплоэнергетика" в частности сказано, что конференция рекомендует обратить особое внимание на развитие обобщающих теоретических подходов, описывавдих основные процессы тепломассообмена и структурные характеристики., двухфазных потоков в широком диапазоне изменения режимных параметров, а также увеличить объём физических исследований и научных работ по созданию математических шделей рабочих процессов в элементах энергооборудования и по разработке численных методов расчёта.

Наличие влаги в проточной части обусловило появление и необходимость решения ряда важнейших проблем, связанных с обеспечением надёжности и долговечности деталей влатаопаровнх турбин, в первую очередь лопаточного аппарата, дисков и рабочих колёс из-за возможности эрозионно-коррозионного их разрушения.

В связи о зим весьма актуальной является разраоотка мате-

матических шделей процессов неравновесного влагообразования в сверхзвуковых соплах, роста капель, образования вторичной крупнодисперсной влага с широким спектром диаметров капель и её движения, т.е. в конечном итоге - влияния влаги на прочностные и техниковкономические характеристики проточной части. Такие моде- .' ли Кроме того долями учитывать реальные свойства влажного пара,. дисперсность дискретной фазы, пространственность течения пара в каналах, образованных относительно длинными лопатками, реальное ' распределение влаги по высоте проточной части и. переменные режимы работы турбины.

Численное моделирование позволит глубже исследовать особен-. ' ности сложных процессов межфазовых переходов и взаимодействия фаз на базе уравнений математической и статистической физики, механики жидкости и' газа и термодинамики, а анализ результатов численных экспериментов, выполненных на них с помощью современных . ЭВМ должен не только обеспечить прогнозирование эрозионного изно- ; са, но и дать рекомендации к проектированию проточных частей ' влатлопаровых турбин с повышенной надёжностью и моторесурсом. Разработке методов решения этих вопросов и посвящена предлагаемая работа.

Целью работц является повышение надёжности, долговечности и тепловой экономичности вла^нопаровых турбин на базе разработки комплекса математических моделей' голидисперсного потока и методов оптимизации влажнопаровых турбин, с учётом переменных режимов работы и реальных свойств влажного пара.

Автор защищает

- математическую модель пространственного течения крупнодисперсной влаги в проточной части, основанную . на . моделировании процесса образования капель методом Монте-Карло, позволяющую погасить надёжность и существенно увеличить ресурс работы про,-

точной части путём анализа результатов прогнозирования эрозионного износа лопаточного аппарата влажно паровых турбин с учётом дисперсности дискретной фазы и её реального распределения по высоте лопаток;

- метод расчёта важнейших структурных составляющих потерь о влагой, а именно,.потери энергии на разгон капель потоком пара и потери торможения от соударения капель с рабочим колесом, основанный на математической модели пространственного движения влаги в проточной части ;

-метод оптимизации элементарной вла^щопаровой осевой ступе- . ни и оптимального распределения по венцам располагаемого на ступень теплоперепада, а также метод оптимизации многоступенчатой конденсационной турбины с учётом работы её на переменных режимах;

- результаты аналитического исследования неравновесного влагообраэования в сверхзвуковых соплах, выполненного на базе канетической теории жидкости с учётом свойств реального быстро-движущегося переохлаждённого водяного пара;

- метод расчёта двухфазного пограничного слоя на плоской пластине с учётом межфазного'взаимодействия и неоднородности обтекания капли сдвиговым потоком путем использования метода Монте-Карло.

Настал новизна работы состоит:

- в создании метода прогнозирования эрозионного износа лопаточного аппарата влажнопаровых турбин на базе математической модели трёхмерного движения влаги с учётом дисперсности капель

и реального распределения влаги по высоте проточной части,позво-лящего исследовать процесс образования крупнодисперсной влаги и сформулировать рекомендации, направленные на снижение эрозионного износа деталей турбин и повышения их моторесурса;

- в создании математической модели пространственного движения широкого спектра крупнодисперсных капель в проточной части влажнопаровых турбин, в основу которой положено моделирование процесса образования крупных капель методом Монте-Карло и распределение капель по размерам и массы влаги по высоте проточной части, что позволяет рассчитывать важнейшие структурные составляицие потерь с влажностью, а именно, потери на разгон капель потоком пара и потери торможения рабочего колеса от соударения с каплями ;

- в разработке метода оптимизации элементащой влажнопаро-вой турбинной ступени и оптимального распределения по венцам располагаемого на ступень теплоперепада, что позволяет достичь наилучшего с точки зрения тепловой экономичности соотношения параметров венцов и характера изменения параметров оошювой и рабочей решёток по высоте протопай части, а также оптимизации многоступенчатой турбины в целом, с учётом работы её на переменных режимах ;

- в разработке и реализации математической издали неравновесного процесса влагообразования в движущемся с большой охр-росгыо потоке переохлаждённого реального водяного пара с учётом влияния скорости изменения параметров движущегося в сопле. штока на скорость образования зародышей жидкой фазы ;

- в разработке и реализахдаи метода расчёта двухфазного" пограничного слоя на плоской пластине с учётом межфазного взаимодействия и неоднородности обтекания сферической капли сдвиговым штоком путём использования метода Монте-Карло ;

- в выработке теоретических основ взаимосвязи повышения . ресурса лопаточного аппарата влажнопаровых турбин с одновременным увеличением его тепловой эффективности и технологичности конструкции веерных ступеней.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- применение математической модели пространственного движения крупно дисперсной влаги и, построенной на её основе, программы прогнозирования эрозионного износа лопаточного аппарата влажнопаровых турбин позволяет исследовать и анализировать влияние геометрических и режимных параметров на интенсивность эрозионного разрушения деталей проточной части и выбрать конструктивные мероприятия, обеспечиващие снижение эрозионного износа и существенное увеличение ресурса облопатнвания ;

- применение метода оптимизации элементарной влажнопароЕоа ступени, оптимального распределения располагаемого на ступень теплоперепада и параметров по высоте с учётом работы турбины на переменных режимах и особых требований, предъявляемых к транспортным турбинам пэзволяет повысить тепловую экономичность турбины ;

- использование программы расчёта неравновесного процесса конденсации влаги в сверхзвуковых соплах позволяет повысить как точность определения параметров потока на выходе из сопла, так и, что наиболее важно, знать параметры дискретной рты на Еходе в рабочую решётку, т.е. количество капель всех возможных диаметров;

- разработанный комплекс программ для расчётов на ЭВМ основных составляющих потерь энергии, обусловленных наличием влаги в проточной части, а тленно, потерь на трение во влажнопаро-вом пограничном слое, потерь на разгон крупнодисперсной влаги потоком пара и на торможение рабочего колеса этими "аллями, позволяет исследовать и анализировать зависимость каждой из этих потерь в отдельности от режимных и геометрических параметров, а, следовательно, и принять меры к их снижению ;

- использование комплекса программ для ЭВМ расчёта влажно-

парового потока в осевых турбинах позволяет автоматизировать процесс проектирования и снизить его трудоёмкость, а также повысить качество проектов за счёт проведения широкомасштабного численного эксперимента.

Достоверность и обосцовачдость научных результатов определяется:

- использованием в математических моделях фундаментных уравнений газовой динамики, кинетической теории жидкости, терш-динамики и статистической физики, современных методов вычислительной математики ;

- получением в результате применения разработанных моделей таких вариантов конструкций проточной части, которые по своим геометрическим параметрам близки к тем конструкциям, которые получены путём длительной и всесторонней экспериментальной отработки ;

- удовлетворительным совпадением результатов расчётов с экспериментальными данными различных организаций,, полученных в разное время и в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров.

АПРОЕАЩЯ РАБОТЫ

Материалы диссертации докладывались:

~ на УП Всесоюзной конференции "Двухфазный шток в энерге- . тических машинах и аппаратах", 1985г.» проводимой Госкомитетом СССР по науке и технике и Научным Советом АН. СССР по комплексной-' проблеме "Теплофизика и теплоэнергетика", а также на УШ'конференции в 1930 г.;

- на республиканской научно-технической конференции "Мате--матические модели процессов и конструкций энергетических турбо-

¡жив з слсге:.жс их гзтятгжрозгивого прозкггрсЕгяля", г. Готвад ъд, 190Иг., вроводал- Украьнсгхи отгелевпаи научного Совета ÁL ООО? до коишксзш дроблвгжи энергетик::;

- на ааузно-технически: сешнарах по твдзоС-Езеяе знерго- - -оборудозашл ленинградского отдэлвш;я Научного Совета ¿H СССР .по шлшшкспй. проблема "Гсшюясззаа к теплоэнергетика", 1984, I¿3¿¡, Íü3€ г.г.

¿ет&ржш длссертвцЕП представлялась кг конкурсы Дзнгрель-вого правления a U0 h'rQ su. спад. A.í:.Крылова х отиечэни гра:-:о-та:.х Xiwi, XV«¡6 г.г.) и ддндо:.;с:л а степени (Xóoór.).

• lí У L Л h К А Д К К

но результата;/, работа олубльхозано 14 статей 2 центральных пздандлх:'"Теплоэнергетика", "¿нврго^а^пностроенке", "Известия лУ^оз", гта:-:;::е ь трудах íBIímws и в отраслевых изданиях, опубликовано 5 таздсоз докладов на Всесоюзных к республиканских конференция::.

Fe \ц у. зп ■ гл Р н б отн. Представлении;*; е работе кокшюкс про-гра;.к арогиозерозеиия износа вла.лодаровых ступеней в расчета потерь -„верпа!, с Елаиностьэ пара внедрен в практику проектировали! в ülüi "i'ypücaTOi.i" ..арькогского производственного объедкнепш турбостроения (акт внедрения от 7.04,91г.).

Структура к объем работа. диссертация состоит г.з вводенпя. о глаг, зски:лстш, списка литературы, содержащего lió наггено-nssaü. Работа изложена на <&0 страницах ка^днописиого текста, Елдастрсрогенг di рпсуккака, JLü тебшйга.

Со;Рп:■ i? osooxi:

ио гведен:.а к работе дан обзор литературы по проблама.гл,

го,

возникаащпм при проектировании оптимизированных конденсационных влажнопаровых турбин на основе математического моделирования физических процессов, и сформулированы задачи, решение которых составляет.содержание работы.

Гдава Х-, "Математическое моделирование пространственного течения влажного пара" содержит о писанка математической модели-с принятыми при построении её допущениями, а такжа анализ- результатов численного эксперимента го исследованию процессов, связанных с наличием влаги в проточной части.

Основой числгшшх экспериментов, направленных на исследование двухфазного штока сложной структуры в турбомашкнах, является трёхмерная математическая модель пространственного течения крупнодасперсной влаги в проточной части, построенная на базе моделирования процесса образования и движения капель методом. Ыэнте-Карло с пошщью датчика случайных чисел. Математическая модель разработана при следующих допущениях;

Полагаем, что вся крупнодисперсная влага в межвенирвом зазоре образована в процессе дробления плёнки при отекании с выходной кромки сопловых лопаток. Пренебрегая наличием мелкодис- > персной влаги в основном потоке, считаем, что 5 + 40% влаги сосредоточено в плёнке. В этом случае максимальный диаметр капель, образовавшихся при дроблении плёнки» стекадцей в поток, который движется с известной скоростью, определяется критичес- -кой величиной числа Вебера в Крит.

Принято, что средний объём образовавшихся капель равен по- " ловине максимального.объёма капли, а распределение капель по геометрическому параметру нормальное со средним V , дисперсияпри этом определяется по правилу "трёх сигм". '■ :

Последовательность размеров случайных капель моделируется следующим образом: , .'

- моделируется последовательность случайных чисел [ Рс| , равномерно распределённых в интервале (0,1); ; . - определяется последовательность'объёмав случайных капель, которая является выборкой из множества с принятой функцией распределения.

Общее количество капель, необходимое для адекватного отображения заданной функции распределения, определяется путём пробных расчётов.

В результате расчёта для последовательности случайных капель определены следующие характеристики: радиуса капель и координаты их в прямоугольной декартовой системе координат.

В предположении, что основную роль в характеристике движения крупной кашш в зазорах и межлопаточных каналах играют силы ■ сопротивления, система уравнений имеет вид:

« 0,375 Сх И к"1 — ^ - Ск) {Сп-Ск)т - Ск

где: коэффициент сопротивления Сх = а начальные условия

в точке обрыва капли Ся0 и ¡¿> к0.

• Для решения задачи считаются известными геометрические характеристики проточной части: выходная кромка сопла, входная и выходная кромки рабочей лопатки, периферийные торпрвие ограничительные поверхности канала в осевом зазоре и в межлопаточном пространстве.

После прохождения каплей входной кроти рабочей лопатки появляется возможность столкновения капли с лопаточным аппаратом. С этого шмента дальнейшее движение капли рассматривается во вращающейся системе координат, жёстко закреплённой с работу колесом и обладающей окружной скоростью О^. В данной задаче рассматривается движение капли в осесимметричном штоке пара с известными параметрами, т.е. полагаем, что прямая задача рас -

-.¿та установившегося ссесимметричнсго течения рабочего тела в проточной части осевой турбины предварительно решена.

В результате преобразований получена нормальная" нелинейная система уравнений первого порядка, описывалцая пространственное движение крупно дисперсной влаги в проточной части осевой турби- о^ ны под действием сил сопротивления в осесимметричном юле ско-'ростеЗ сплошной среды. Система разрешима относительно производных. \ '

Для реализации разработанной издали предполагаются известными критерии эрозионной стойкости материала, из, которого сделаны элементы проточной части.

Условная скорость воздействия капель определённого диаметра до которой не возникает шврежданцих поверхность .напряжений, -т.з. пороговая скорость повреждения определена зависимостью \/ш Аналогичной зависимостью определена пороговая ско- : .

рость разрушения - скорость воздействия капель определённого . диаметра, при превышении которой возникают микроразрушения после однократного воздействия, т.е. \/лр

Аппроксимированы для стали 20X13 также, зависимость числа .. циклов нагрукения поверхности образца при характерном диаметре капель о(и I км от скорости соударения, необхо$ззшк для появления каверны, т.е. окончания инкубационного периода- -рп зависимость относительного диаметра пятна контакта .

капли d& с лопаткой от скорости соударения (V), зави- .

скмость относительной глубины впадин рельефа сформировавшегося на поверхности лопатки, от радиуса воздействующих капель ^ = зависимость скорости износа поверхности лопатки от

скорости соударения в период формирования рельефа при интенсивности нагружения I-'ffi^— cPj V) и зависимость, скорости" износа поверхности лопатки от скорости соударения в период уста-

о

навившейся эрозии при штелслвлост:; лаг^уаелля I izr/u.f'/c

В качестве пддзстрчця: ¿кгода выюлцеа рссч?т эроелоллого . isuoca гослсдаеЗ стугсяп турбина на яэихздяьяои реглме. Осиас-лке эксплум-здатагв пар^стры:

уггэзая скорость Ераделвя ротора - 35 30 об/мга, распод в-^.иого лира - IB,42 кг/с, Елажость - 8,4;', материал рабочих лопаток - 20X13, длт-тё-'Х-ость ргсчётлил испытанail - 40 тыс.ч. При расчёте учтена неравномерность распределена«! влаглостл -по высоте лопатки на основе обобщённых экспериментальных дачных. Зависимость улоса массы материала от времени приведена на рис.1. Результаты расчётов удовлетворительно согдесуются с экспериментальными дачными.

Чнслолчи'х эксперимент по исследовании зависло сгз эрозлзл-мэго дзлзец 07 скорости парс основного штока лих-зол, что аог: с ту паль сгроз-ткровааа с уиезьселяш- градиентом реактивности по Еысоте лопатки, т.е. периферийная абсолютная скорость выхода пера из сопзл "G-j-" увеличена по сравнению со ступенью, закрученной по одногу из традшришнх методов закрутки, то за счёт уменьшения максимального диаметра возможных каполь, определешю-го притопнем Веберь, резко снижается абсолютный унос металла, л, следовательно, возрастает ресурс облопатывашм. Анализ голазы-плет, что увеличение абсолютно;: скорости "С-^" в таких прспелги, лоторло повлхалне тошазюй экономичности ступени,

обеспечивает сличение штеаспЕкбста эрозионного разруиецяя леиаточлого аппарата примерно с четцре раза (рпс.1).

Путём решения приведенных математических юдолей определяются танке основные составлякциэ потерь энергии с вланлостыо, т.е. потери на разгон капель паровым потоком, ка механическое торможение рабочего колеса каплями, ударяздими в спинку работа: лопаток.

Уровень суммарных потерь энергии хорошо согласуется с опытным: данными других организаций. Действительные потери энергии несколько выше расчётных за счёт того, что разработанная модель не является тоздеетгеяяш отобрглеяиед! действительного процесса, т.к. но учитывает дробление капель при соударении с работа«] колесом, взаимодействие капель ме;лду собой, яа-жгчие в потоке мелкодисперсной первичной влаги и т.д.

Глава П. "Теория установившегося вихревого осевг.'.:г.:етреного течения двухфазной сжимаемой жидкости" содер-.кит описание .математической модели двухфазного по грачиного слоч ка плоской пластше и её резение, а также описание катекатпческой '-одели пря!.',ой задачи неравновесного процесса расширения переохла?.до::-ного пара в сверхзвуковых соплах и сё решение.

Одной кз особенностей ДЕИяенкя капли в газовом пограничном слое является наличие скольгения калл::, т.е. рассогласования по величине скоростей пара к капли. Следовательно, ниг.о некоторой л:лли скорость капли будет больше скорости пара, а внге этой лхзкп - наоборот. Другая особсгшость, которая я:.:оог место в двухфазном пограничном слое, это вреденне кс-пли под действием градиента скорости.

Врацение капли вызывает в своп очередь так называете силы иагпуса, которые устремляют капли, ло™ацио ¡¡во некоторой лилии, к ядру потока. Капли ке, находящиеся ало этой линии, под дойстакеа сплн Магнуса дюзутся к обтекаемой поверхности.

Положение о той некоторой легли определится скоростью капли.

Сущность разработанного метода состоит в расс.у.о трении движения двухфазной среды как капельного потока сло;,;ноп структуру в пограничном слое насыщенного пара с использованием основнин положений теории пограничного слоя. При этом структура капельного потока моделируется методом "онте-Карло.

Для опис алия движения вязко;'; с::::".:номоп жидкости в условиям пограничного слоя преобразуем известную систему уравнении:

I 9У '¿у

гдер = ^ { рЛ), а/1? = Уравнение энергии за'лгкает эту

систем, однако для случая плоско;; пластины, если число ;.'аха ¡¿¿1,0, а та 1~:е учитывая незначительность ооставлзщей кассовой сшш поперек пограничного слоя, шш првзебрвчь влиянием сжимаемости. Т0гда поперёк пограничного слоя давление постоянно и приведенная бцзо система уравнений косо® бить прообразована в уравнения Прачдтля для установившегося точения. С учётом действия кассозэкх сил при условии, что в испроглеая:, псрпса-дакуяяшом направленно гечехзх, порядок состгвлгл;ей массово:; сглк существенно кзнызе, система ур-щ^чиТ. к" вид:

Эи _

Эу эу ' с

¡-с и - еоотавля^ая массово:! с/ли в направлен:::: основного потзка;

•Ь{ -- остаглио-цая скорости потока в-;;пласт;:-::; л г

и - ооставл.ччиая скорое?.:, ::с;:по.;дк::уля;ная пл ■:■:■:•::.: о; д - давление, плотность ;: а:мчпекач тта'г

1Ь."

л, ^ - коо;д;мати соответственно вдоль п лерпендикуляхло пластине.

Сила, действующая на отдельную кашпо, определяется как ре-

г"

зультирующая с.:лы сопротивления потоку Г сопр. и подъемной силы

В кечестве скорости потока выбирается скорость на линии,проходящей через центр капли.

А под. определяется как результирупцая сил давления по поверхности капли. Для оценки величины этой силы действительный градиентный поток заменен условными однородными, с границей по плоскости, проходящей через центр сферической капли в направлении скорости обтекания и паралельной обтекаемой пластине (рис.3).

Проекция результирующей сил давления по поверхности капли на ось "У" после преобразований и интегрирования определяется равенств*1*"

Результаты расчётов хорошо согласовываются с физическими явлениями, связанными с двухфазностью пограничного слоя. Появление мелкодисперсной влаги в градиентном пограничном слое

по высоте пограничного слоя, что приводит к снижению непосредственной потери энергии на трение в пограничном слое.

Для осуществления численного эксперимента по исследованию и анализу структуры дискретной фазы в штоке водяного пара разработана математическая модель неравновесного процесса расширения переохлаждённого пара, движущегося с большой скоростью.

Известно, что расширение влажного пара в решётках турбока-шия вносит ряд существенных особенностей, связанных с двухфазностью рабочей среды. В первую очередь - это процесс спонтанной конденсации движущегося с большой скоростью сгльно пег еохлаж-

/- под,

способствует большему заполнению эпюры распределения скорости

Рис. 3.

дё:и:эго пара. Неравновесный процесс конденсации: оказывает существенное влияние пак на лад&пэсть лопаточного аппарата вла;::нопаро-вых турбин ого вибро^умовие характеристик:!, так и на тепловую экономичность.

Скачкообразный процесс спонтанной конденсации пара и, связанное с ни;.;, резкое повышение температуры и давления, могут слупить пр::ч::нсн роста вибрационных напряжений в лопаточном аппарате проточно:: части. Образовавшиеся в результате конденсации катил: влаги, двитхудиося в с:ияу малых своих размеров со скоростью пара, могут вызвать эрозионное разрушение материала лопаток, а оседание первично:; влаги в места::, зацицёнкых от действил основного потока, и растворение в ней до повышенно:! концентрации солеи, содержащихся в паре, пр:шодит к коррозионным поврс:г.дбнЕям деталей проточной части турбин.

Основным параметром, определяющим характер течен:ш неравновесного процесса спонташой конденсации, является скорость ядро-образования, зависимости для определения которой выведены различными авторами на базе общей теории '¿луктуацпй в рамках кинетической тзор:и: жидкости и статической физики, рассматриЕалдих пореэхлевдение водяного пара в статических условиях.

Б связи с тем, что критический размер зародышевых капель, вычисленный с помодыо названных выае теорий, мал, сама картина процесса, построенная на основании кптетической теории жидкости, является линь ворзш приближением к действительности и нуждается в исправлениях, связанных, прежде всего, с учётом дискретного характера переменной - числа просты:: частиц, сос-?аг&зх£х зародил, в области маша значений последней.

С.;сго:.:а ураллелдй, опиеыванцая процесс р ас ;г.:рс:::л пара в сопле импс? следу.-^ий вед:

и.

- уравнение движения , ,

г с( с ___а Л ■

~ о

- уравнение неразрывности

Уравнения состояния, полученные алщпкспмадией диа-

граммы,

Замыкает систему уравнение адиабатного процесса :

т- тс ; -

" " - / ! ц функция, задалцаятеомотрпа сопла Ь ~ Ь ( /у-

Система уравнении разрешена относительно приращения давления с учётом пзоэнтропзсйгостп процесса:

ЫР _____/ .-/¿Г

и проинтегрирована методом 1гунге-Кутта.

Во второй зоне, являпцейся зоной спонтанной конденсации при максимальном переохлгдцонии, приведенная вша система уравнений дополняется формулами шлекудярло-кулетичаегой теории гл-зов и статической механики, позволяющими опуеделить основные характеристики неравновесного процесса образования влаги в быстродвижущемся потоке переохлсехдоллого водяного пара.

Скорость ядрообразования пл.; скоюсть ;<цдолеяия из переохлаждённого пара, движущегося с болълой скорость», гетороцч*«з~ инх флуктуации, состоящих из 30*100 мелекул, длл к;, то рил отступления от прямой иродардаиюльасстп свободою'; энергии числу частиц могут бять сведены к вхзгакю коверлностлш: сил (пог.орх-лостного натллелия или поверхностной энергии), оп. одсллотсл г:о г.одн'Тлк'.роваиюй формуле Еельдив:лга-;<голкое1Л, л скорст',

роста капель, когда их диаметр меньше длины свободного пробега молекул, по формуле Булера.

Влияние абсолютной скорости пара на протекание неравновесного процесса конденсации в первом приближении учтено путём введения в формулы, в которых используют коэффициент поверхностного натяжения, безразмерных коь^ексов, характеризующие скорость изменения параметров пара вдоль оси сопла. Тогда: _

с/- Г?/^/(Г/З/И '

" о/у & -Г^Т" .

и

где

Количество капель, образовавшееся на расчётном интервале в единицу времени, определяется по формуле: = ^ - /- ' л/, •

а количество сконденсировавшейся влаги

«»'¿Л

у.

^ От От

где - секундный массовый расход влажного пара.

Зная количество капель д/. радиуса коли-

чество влаги, имощейся в данном штервало, определяется по

оргмуле

г- 1

Повышение температуры пара, имеющее место при теплообмене между зародышами влаги в момент их образования и основным потоком, определил по формуле

л -г _ £ __

где Св - удельная теплоёмкость вода.

Таким образом, если поток уже сверхзвуковой, то температура в конце данного участка

т = тпп + Т1 • а если ùi ^ I, то Т = Тш - Tj-

Расчет в третьей, равновесной зоне аналогичен расчёту в первой зоне, только температура пара равна температуре насыщения, а влажность соответствует равновесной, диаграммой влажности. Принимая, что капли движутся со скоростью пара и число их в единице объёма с!леси остаётся постоянным, изменение радиуса капель за счёт сконденсировавшейся на них влаги определим по формуле

f Si б = '

где // 2, У2 - радиус капли и влага на выходе из второй зоны;

Jh. У3 ~ с00™6?0115611110 113 третьей.

Результаты расчёта по предложенной методике представлены на рис.4, где дано сопоставление с опытом ùS'.i. Совпадение расчётных и экспериментальных данных удовлетворительное.

В главе Ш "Теория элементарной влахнопаровой ступени" приведен метод оптимизации геометрических характеристик и резанных параметров вла-хнопаровой ступени - один из перспективных способов улучшения технико-экономических показателей турбины в целом.

В да:шой работе оптимизация влажнопаровой многоступенчатой турбины осуществляется путём выбора оптимального располагаемого на ступень теплопорепада,распределения теплоперепадов и степе-

H

i " I ! : i i

ни реактивности ш ступеням, распре.¡.еденкя параметров по еысото относительно дленных веерных, ступеней. Из-за сложности отмеченных процессов в двухфазных потока^, особенно в условиях потери устойчивости движущихся капель.и плёнок, а такзе изменения потерь энергии на обтэкагше решёток профилей, сома постановка задачи оп- . гпмизацяи вызывает значительные трудности. Задача усложняется необходимостью обеспечения при высокой тепловой экономичности ещё и максимальной эрозионной надёжности.

. Известно,, что ряд внутренних потерь энергии-существенно влияет на оптимальную величину отношения скоростей ^ .

Со

3 первую очередь это потери энергии с влажностью и с перетечками а радиальный зазор.

Анализ этого влияния выполнен на основе общих теоретических ^равнений, описывающих взаимосвязь основных рекнмных параметров I геометрических характеристик. Для элементарной осевой ступени ; произвольной степенью реактивности окружной КЦД определяется равенством г., __-

;оторое после подстановки выраяения : освобождения от радикала принимает окончательный вид:

У

— у¿гуу^

Тогда оптимальное отношение скоростей —-— будет равно :

<6ЁГ.

Б то ае вре:.:к шутивший КЦ£ ступени

'¿л = '¿,

- -ф, г*

а оптшаяьяое относелпо скоростей где 0

На рхс.б представлены результаты расчётов в сравнении с

опытный д:а;ш:лн, анализ которых позволяет сделать заключение / и

о тог.;, что выбор ( ).,_„ приводит к повышению тепловой С.о оПТ

нагрузки ступени, сл..1:ол;;;о весогабарптних характеристик турбины в долог.:, обоспсчо.-я щ:: ото;,; цадсгл.-.альнуга тепловую эгХ1-ек-тизность.

Одшил из нообхохадгих 'услэви;"; дсстглолия каксакалыюй тыкэгой эффективности осево;' турсьлчод ступали является рацио-дат.лов |.аощч>делодис | .-»сголагаемэго на ступень тенлоперолода 1и) ¡и^ото с ту и о:;;;. ■

/.езлоджшг.о ;:а экат: о:,:ум г-ьп ^зд ¿и во лозазпеи-

ьав! 1;о.; ли:.; уку 1 л">. и.-юги » одел -'■' стеши хеак-Т1.;>к)сто ступс п;.'...'"дит 1: с;.с. , "5::у результату:

I

который хорошо согласуется о опытом, приведенным на различных

установках в ЖДЗ, ¡,ЭИ, ЯЗЯ, КАЛ, суцественно отличаицихся

по геомотвическим характеристикам и режимным параметрам.

Сг

Вубор оптимальной характеристики на номинальном режиме

Со

, суцественно зависит от того, на каких именно переменных режимах

будет эксплуатироваться турбопрпюд. Для транспортных турбин

эта деталь особезяо ваша. Отмечено, что йлпдаие изменения отно'

С/ .

шаяия скоростей —^— на тепловую экономичность ступени зависи "Со

от того, чем сизаано это изменение, а именно, , то ли изменением располагаемого на ступень теплоперепада, либо изменением числа оборотов. Если ьсгяние изменения числа оборотов подробно освеще ко уле в литературе, то влияние изменения фиктивной абсолютной скорости до сих пор на рассматривалось. В то же время работа многоступенчатой г.оэделсодноклой турбины с пониженным расходом пара сопровождается уменьшением располагав!.»го на последнюю ступакь или группу ступеней теплоперепада при постоянном давлении в конденсаторе.

Изменение степени реактивности ступени при;зтом..овр.оделр-

стся формулой: /с-/

-2 • , У- £

-А = £

пли = /-¿г [т^У '

Осоое.чноста нроолглропанля оптплелълой части низкого дав-делил полной колдс.лсаллол лон турбпш об-ьленязтея наряду со

слокной пространственной структурой часто неустановившегося течения влакаого пара, ещё и переменностью режимов работы группы последних ступеней в зависимости от графика нагрузок. Этому вопросу посвящена хупва 1У "Переме1шые реалми работы ступени и турбины в целом". От выбора расчётного решала для каздой из группы последних ступеней, в значительной степени и от выбора расчётной степени, реактивности, существенно зависит тепловая экономичность всей турбоустанОЕКИ, а, следовательно, вес и габарита самой турбины, паропропзводящей установки, её энергоресурс, расход топлива и т.д. Следовательно, проектирование группы последних ступеней представляет собой родение сложной технико-оконо!,оческой задачи,, в которой выбирают оптимум исходя из сопоставления как настроечной стоимости турбины (её себестоимости), тик и эксплуатационных расходов, которые, 2 первую очередь, определяются перерасходом пара на переменных резкиах работы в связи со снижением тепловой экономичности проточной части, вызванной отклонением режима"работы группы последних ступеней от расчётного.

' - Знание характера изменения степени реактивности на частичных по расходу пара режимах работы и значений абсолютных размеров этих изменений позволит с известной точностью определить как тепловую экономичность многоступенчатой турбины на этих ре-нимах,' так п осевое ус:;лле и напряжения в соответствуад:к эле- • ментах турбины..

Рассмотрен случай работы последней ступени с произвольной степенью реактивности в составе многоступенчатой конденсационной турбпнн.'на переменных по расходу пара регимох работы с постоянной' частотой вращения ротора. Влияние частоты вращения ротора на расход рабочего тела будет рассмотрено нпе. Будем, считать, что влиянием изменения утечек и подсосов пара через радиальный зазор на изменение степени реактивности на перешлшк

реаклах :.:о;гно пренебречь ввиду кх-более высокого порядка малости а расширение пара е косом срезе сопел и лопаток отсутствует. Тогда.'. на основании рассмотрения уравнения расхода, записанного для номинального п о'л^лэношюго режимов на среднем радиусе после преобразований ара Ь> = Ьр'Ш^ч ^ к'Л ш шлучим зависимость степени реактивности на отклонённом режиме от номинальных параметров и степени изменения расхода пара, т.е.

Для влы-хнопаровых ступеней влияние изменения расхода пара на степень реактивности ецё более ощутима.

■ Существенно изменяется влияние изменения режшла работн на степень реактивности в зависимости от номинальной степени реактивности ступени. Че»5 ниае расчётное значение степени реактивности, тем интенсивнее' происходит падение её с уменьшением расхода. ' . .

Особый интерес представляет анализ данных , рис.6, где при ведены результаты расчётов на разных по высоте сечениях изменения степени реактивности с изменением расхода пара, выполненных по известной методике ВТИ, позволяющей рассчитать параметры осе симметричного установившегося течения пара в.межвенцовнх зазора проточной части группы последних ступеней, и по предложенной

"©с'*»

здесь зависимости. Расчёты выполнены для ступени с —= 3,8, являщейся последней ступенью модельной группы последних ступеней мощной транспортной конденсационной турбины. Сопоставление результатов, расчетов позволяет рекомендовать выведенную здесь зависимость /¿"= ¿^^/./Зу, ^НУкак достаточно надёжную аппроксимацию методики расчёта осесккметричного течения, отличающуюся наглядностью и позволяющую выполнять анализ взаимосвязи и взаимовлияния параметров номинального реапма на изменение степени

реэкт::;2Н0Сти и условий работы бондов ступени на перемешшх по-расходу пара режыш. .

Как было ой,ючено виде, изменение частоты вращения турбины пгпзодиг к отклонению основных харакгеристпк, аапршэр, КЦД к мощности, от ноьетальянс значений. Понятно, что зависимость д& г^лА/^оях.оделяется-шоггж геометрическими характеристиками роаю.-лнш« параметрами, в первую очередь степенью реактивности ^, етопааьй расширения в ступени ^/^о в сношением скорос-1611 и'долваа икехь слоаный характер.

В работе о по;.:оцыо известного метода малых отклонений получело вара&еа«« для изменения расхода рабочего тела через осевую турбинную ступень ь вадо

■ кус-.к^

коэффициенты влияния соответствующего параметра на кзмэнениэ расхода пара.

Анализ результатов расчётов показывает, что влияние отклонения частоты вращения ротора от расчетного значения на расход пара мозет быть существенным.

Одной кз узловых в теории переменках режимов является задача расчётного определения тепловой экономичности1 кшс отдельных ступоной, так и многоступенчатой турбина в целом, в широком .диапазоне изменения ре;;::;:.:ов работы. Известно, что основные затруднения обусловлены пространственным характером течения потока пара в группе последних относительно длинных отупеней и с трудностью сравнительно точно определить ют момент, когда такая ступень перестает вырабатывать полезную мощность. ■.

13 работе на базе одномерной теории построена методика определенен тепловой экономичности в строкой диапазоне изменения на-

раметров - от перегрузочных режимов до того момента, когда ступень переходит в компрессорный режим, т.е. работает о отдачей энергии. Результаты расчёта по предлагаемой методике является определение тепловой экономичности многоступенчатой конденсационной турбины.

В основу расчётов положены следующие допущения: потери энергии в сопловой решетке остаются постоянными на всех режимах работы отупени {Ы*?, принята неизменной также площадь выходного сечения сопловой решётки и давление в конденсаторе "З^"«

Определение ЫЩ много ступенчатой турбины на частичных по расходу пара режимах работы выполнено с помощью метода малых отклонений: ' ?_/> . и п •

. /Л^ . ^зъ (7/, _

° ~ * Кат С) Ь >

где

/ ^п: ращение внутреннего ЫЩ соответственно турбины, регулирующей ступени, группы промежуточных ступеней группы последних ступеней. Очевидно, что характер зависимости внутреннего КЦД каждой отдельной ступени зависит от газодинамических параметров и геометрических характеристик, принятых при проектировании. Таким образом при определении КЦД турби-. ны в целом на переменных режимах работы будут учтены такие особенно важные для последних ступеней факторы, как закон закрутки лопаток, угол, раокрытия приточной части, число Маха, веерность и др.

К3р Кд^Кд^- коэффициенты влияния соотвеаствущих ступеней на КОД турбины, зависящие от степени расширения пара в ступени и её КЦД на номинальном режима.

Для определения приращения внутреннего КЦД отдельных ступе-

ней принято следующее допущение:

- основное приращение внутреннего КОД имеет место из-аа изме»

нения отношения скоростей -Нг- , т.е. потери в сопловой решётке,

Со

от трения, от утечек и перетекания пара в зазорах проточной частй приняты постоянными как на номинальном, так и на частичных режима*< В заключение четвёртой главы представлена методика расчёта

и

на ЭВМ выбора параметров номинального режима последней ступени с учётом возможных изменений графика нагрузок.

Наряду о высокой надёжностью и долговечностью транспортные . турбоагрегаты должны обладать в силу своей специфики также высокой маневренностью. В то время, когда по ряду причта {размыв при-' чала, обрыв швартовов, засорение конденсатора и т.д.) частота вращения ротора судовой турбоустановки с винтом регулируемого шага в режиме прогрева проворачиванием ротора паром во время стоянки судна рграничена до 40460$ от номинальной, и расход пара при этом-невелик — приблизительно 5$ от номинального, а мощность холостого хода у турбоэлектрических агрегатов составляет 4+10$ от номинальной, прогрев турбины проходит медленно.

В целях сокращения продолжительности пусковых режимов, снижения расхода топлива и достижения более высокого уровня прогрева ТВД, обеспечивающего умеренные температурные напряжения при быстром увеличении нагрузки необходимо повысить расход пара через турбину на этих режимах.

Данные об увеличенном расходе пара на холостом ходу при повышении давления в конденсаторе, а также более интенсивный Рост Расхода паРа в диапазоне И, = 1,0+1,07 позволяют считать с*ыв вакуума достаточно эффективным способом удержания турбины от разгона при сбросе нагрузки и переводе турбины в режим холостого хода.

В главе У приведены результаты математического эксперимента по исследованию достоверности выбранных моделей, дан анализ влияния изменения расхода пара на характеристики ступеней при исследование переменных по расходу пара и частоте вращения ротора режимов, влияния закрутки ступени на эрозионный износ лопаток и потери энергии с влажностью, а так же влияние режимных и геометрических параметров на неравновесный процесс образования влаги в сверхзвуковых соплах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создана оригинальная проточная часть низкого давления мощной конденсационной турбины, которая отличается повышенной стойкостью к эрозионному воздействию крупнодисперсной влаги при сохранении номинальной тепловой эффективности на уровне лучших современных турбомашин, удовлетворительными весогабаритными характеристиками и устойчиво высоким КЦЦ в широком диапазоне изменения режимов работы. '

2. Разработана теория и система проектирования многоступенчатой конденсационной проточной части на базе комплекта программ для ЭШ, в основу которых положены математические модели образования и пространственного движения крупнодисперсной влаги, обеспечив алдие существенное до 4 раз снижение интенсивности эрозионного уноса металла с поверхности рабочих лопаток и повышения тепловой экономичности облопатывания на 2-»4? на переменных режимах работы. В прикорневой зоне таких ступеней практически отсутствуют условия возникновения тороидального вихря на переменных го расходу пара режимах работы.

3. Построена физическая модель образования и движения круп-» нодиеперсной влаги в проточной части влажнопаровых турбин в осе-симметричной постановке, позволяющая^ рещить вопросы прогнозирования эрозионного разрушения рабочих лопаток, а также определения потерь энергии на разгон капель паровым потоком и на соударение их о рабочим колесом. ,

4. Разработшы физические модели двухфазного газо-калельногО пограничного слоя и неравновесного процесса образования мелкодисперсной влаги при движении переохлаждённого пара в сверхзвуковых соплах, позволившие рассчитать потери на трение при обтекании профидя двухфазной средой и прогнозировать эрозионный износ входных кромок рабочих лопаток в ступенях скорости турбоприводов

вспомогательных механизмов на основе полученных в результате расчётов данных о дисперсии размеров и конетических характеристик первичной влаги.

5. Созданы математические модели физических процессов,умеющих'место во влажно паровой многоступенчатой турбине," решение ко-^ торых суцествлено методом Монте-Карло.

6. Разработан комплект программ для ЭВМ, реализукций математические модели, для включения его в САПр "Проточная часть".

7. С помощью указанных выше программ выполнен численный эксперимент, выявивший основопоглощаодие взаимосвязи технико-оконо-мических характеристик турбины о параметрами и свойствами рабочего тела;

8. Показано, что увеличение периферийной скорости выхода пара из сопел в абсолютном движении, достигаемое за счет значительного уменьшения градиента реактивности по высоте ступени, приводит к существенному (до 4 раз'снижению эрозионного уноса металла с входных кромок рабочих лопаток прл каплеударном воздействии крршшх капель.

9. На базе результатов анализа численного эксперимента, выполненного на мэдели неравновесного процесса конденсации влажного пара в сверхзвуковых соплах, создан вари" чт многовенечной ступени скорости для Турбоприводов, практически неподверженный эрозионному износу из-за снижения в определенных пределах размеров первичной влаги и располагаемой на ступень перепада энтальпий. -Имеющий место при этом переход на полный впуск вместо парциального подвода благоприятно скажется на снижении спецхарактеристик изделия и повышения его надёжности.

... 10. Разработана методика оптимизации элементарной влажно-паровой ступени с помощью исследования на экстремум целевой функции - внутреннего КОД ступени путём учёта влияния потерь

энергии, б порвуп очередь, потери с влажностью, на оптимальную •

U

величину отношения скоростей * что позволяет либо повысить

внутренний КОД влажнопаровой проточной части на 0,6+1,155, либо уменьшить при сохранении приемлемой тепловоз эффективности весо-габаритные характеристики турбины на счёт сокращения числа ступеней.

II. Разработан метод оптимизации относительно данной влахно-паровой ступени за счет рационального распределения между венцами располагаемого на ступень перепада энтальпий, что позволяет повысить тепловую эффективность такой ступени на 0,5*2,5£ в зависимости от относительной длшы рабочей лопатки в широком диапазоне изменения режимов работы, а также метод оптимизации многоступенчатой турбины с учётом переменности графика нагрузаг. Предложенные методы оптимизации способствуют повышению экономической эффективности применения сложных автоматизированных программных комплексов.

Основные положения диссертации изложены в следущих публикациях:

1. Пр'яхин В.В., Бабот Ф.Н. Экспериментальное исследование группы ступеней с пониженным отношением ~~ _ jj '•'Теплоэнергетика''. - 1269,- J» 6, - с.19+22.

2. Филиппов Г.Л., Пряхин В.З., Бабот Ф.Н. К вопросу-о выборе оптимального отношения серостей t- //"Теплоэнергетика, - 1973,- Jj 2, - с.66+70.

3. Филиппов Г. А.,-Пряхин В,В., Бабот Ф.Н., Оптимальная величина характеристики для турбинной ступони, работащей на вла^'ыом пара . // Энергомашиностроение, - 1973, - № 9, - с.20+22.

4. Бабот C.B., Бабот Ф.Н. Зависимость расхода рабочего тола через осевую турбинную ступень от частоты вращения ротора. //Энерго-мап^'юстрэецио, - 1976, - № 12, - с.бчв.

5. Волосов М.И., Бабот ф.Н. Исследование зависимости расход-частота вращения судовою турбогенератора в пусковых режимах при изменении давления в аондеясаторе. ^Тр. иы-та ЩИИШ --I97G. -.Вып.215.- с.41-51.

6. Бабот Ф.Н. Оптимальное отношение скоростей реальной осевой турбинной ступени. Ц Тр.щ-та ЦШШ и:.;.Крылова А.Н. -

- 1977.- с.54+. 58.

7. Бабот Ф.Н. Оптимизация параметров осевой турбинной ступени. Харьков, септ. IS82.- Тез .докл. Республ.научто-тех.конфр-Харьков, - 1986.- O.205.

8. Бабот Ф.Н., Полухш В.П. Расчет пространственного потока двухфазной кндеостя в' канале осевоИ турб:л::о:1 ступени. Jj Изв.ВУЗов,- "Эзергвтпка,- 1284,3,- с.93-г95.

9. Бабот ФЛ., Полухин В.П. Определение управления сред-нелопаточной поверхности турбшы. - М,- 1984,- 6с - Депонент ШЙ й 204ЭМ-Д83.- & 4.

10. Бабот Ф.Н., Романов Л.М. Метод определния потерь энергии в двухфазном пограничном слое на плоской пластине. JL, окт. 1985,- Зоэдойй. УЛ.- Всесоюзная конф., Л;,- 1985, -

- с.83.

И.' Бабот ФЛ.'. Полухш В.П. Численное доследование пространственного течения влажного пара в ступенях турбпмашщ. Л. окт. 1985,- Тез.дркл. УЛ. Всесоюзная конф. -JI.-I985.-c.84.

12. Бабот Ф.Н., Романов Л.М. Определение потерь энергии в двухфазном пограничном слое на плоской пластине. Ц Изв. ВУЗов, Энергетика,-1988,- № 3, - с.82ч86.

13. Бабот ФЛ., Романов Л.М..' Математическая модель двп-■ жения влаги л расчёт эрозионного износа лопаток паровых турбин.

JI Теплоэнергетика, - 1987,- й 9, - с.56+57.

, 14. Бабот S .П., Романов Л.!.!. Расчет потерь энергии тур-

бшаой ступени, связанных с б ладностью пара. уУ Изв. ВУЗов, Энергетика, - 1989, - В 4, - с.86+ 91.

15. Бабот Ф.Н., Полухин В.П.. Влияние геометрических и рожпмных параметров, сопла на неравновесный процесс образования , влаги. //йзв.БУЗов Энергетика, - 1988,гё 12, - с.51+55.

16. Аэродинамическое-к виброакустическое совершенствование турбин судовых газотурбинных двигателей. Отчет по НИР ЛКИ,-И 987 ИК,- & П-7-2-А100.

Топунов А;и., Митюикш Ю.И., Бабот Ф.Н. и- дай, с.41-г53г^Е.--1968-2150.

17. Бабот й.Н. Газодинамический метод, повышения эрозионной стойкости лопаток турбин. ^Изв.ВЗПЗов Энергетика,-1991,-й 5,- с.90-95.

ГЛг.1А*сацо кж»«?я Л— О /*аг

1кч л ¿у_Тяраж {УО Зама *

Гнпографкк МЭИ, Красноказарменная,• 13.