Исследование физических особенностей течения рабочего тела и характеристик гидропаровой турбины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Шевелев, Денис Владимирович

• Шевелев, Денис Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шевелев, Денис Владимирович

Основные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Современное состояние вопроса. Обзор литературных данных и постановка задачи.

1.1. Энергетическое использование вскипающих потоков.

1.2. Теоретические исследования и модели течения вскипающего потока.

1.3. Обзор методов экспериментального исследования двухфазных течений.

1.4. Результаты экспериментальных исследований вскипающих потоков.

1.5. Анализ работ и постановка задачи.

ГЛАВА 2 Экспериментальное исследование особенностей истечения вскипающей жидкости из сопл.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Геометрические характеристики исследуемых сопл.

2.3. Система измерения параметров рабочего тела.

2.4. Методика проведения эксперимента и обработки результатов испытаний.

2.5. Оценка погрешности измеряемых величин.

2.6. Результаты исследований.

ГЛАВА 3 Теоретическое исследование характеристик ГПТ.

3.1. Расчетная схема.

3.2. Вывод зависимости окружного КПД ГПТ с учетом скольжения фаз. Расчетная характеристика ГПТ.

ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование характеристик ГПТ.

4.1. Тепловая схема гидропарового агрегата ГПА-10 в составе котельной.

4.2. Экспериментальное определение насосного КПД РК ГПТ.

4.2.1. Методика проведения испытаний и обработки экспериментальных данных.

4.2.1.1. Перечень измеряемых параметров.

4.2.1.2. Методика определения протечки рабочего тела через лабиринтное уплотнение.

4.2.1.3. Методика определения насосного КПД.

4.2.2. Результаты обработки экспериментальных данных, оценка погрешности определения насосного КПД.

4.3. Экспериментальное определение характеристик ГПТ.

4.3.1 Методика проведения испытаний и обработки экспериментальных данных.

4.3.1.1. Перечень регистрируемых параметров.

4.3.1.2. Режимы испытаний.

4.3.1.3. Методика обработки экспериментальных данных.

4.3.1.3.1. Определение мощности и КПД гидропаровой турбины.

4.3.1.3.2. Методика приведения результатов эксперимента к расчетным условиям

4.3.1.3.3. Оценка погрешности измеряемых величин.

4.3.2. Результаты обработки экспериментальных данных. Анализ результатов.

4.3.3. Сравнение теоретической и экспериментальной характеристик ГПТ.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование физических особенностей течения рабочего тела и характеристик гидропаровой турбины»

В настоящее время особую важность получила задача увеличения доли электроэнергии, вырабатываемой за счет нетрадиционных и возобновляемых видов энергоресурсов. Это связано, во-первых, с растущей стоимостью добываемого углеводородного топлива, и, во-вторых, с ратификацией нашей страной в 2004 году Киотского протокола по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу.

Одной из составляющих комплексного решения данной задачи может быть полезное использование источников низкопотенциальной теплоты, например в виде воды с температурой 100—150°С. Температура этого энергоносителя слишком мала для экономически оправданной реализации паротурбинного цикла. Альтернативой паротурбинному циклу в данном случае может стать гидропаровой цикл. Реализация его возможна несколькими способами.

Одним из возможных вариантов практической реализации гидропарового цикла является гидропаровая турбина (ГПТ) [6], работающая по принципу сегнерова колеса, которая отличается простотой схемы и конструкции, не требует предварительной очистки воды. Такие турбины могут быть использованы для привода генератора или вспомогательных механизмов на промышленных предприятиях и геотермальных полях, как в составе проектируемого энергокомплекса, так и самостоятельно.

Теория сегнерова колеса при течении в нем однокомпонентного рабочего тела без фазовых переходов хорошо известна и изложена в литературе. Однако в соплах гидропаровой турбины движется вскипающая вода, при этом разгон парокапельного потока сопровождается дополнительными потерями энергии, возникающими в результате взаимодействия фаз. Эти потери будут зависеть от структуры потока и размеров капель.

В литературе недостаточно сведений об особенностях течения вскипающей воды в соплах и структуре возникающего парокапельного потока при параметрах, характерных для гидропаровой турбины. Кроме того, для определения КПД гидропаровой турбины требуется доработка классической теории сегнерова колеса.

Таким образом, актуальность выбранной темы диссертационного исследования определеляется необходимостью исследования особенностей течения вскипающей жидкости в соплах гидропаровой турбины и влияющих на её эффективность и доработки классической теории реактивной турбины работающей по принципу сегнерова колеса для учета дополнительных факторов, связанных с течением двухфазного потока. Актуальность темы подтверждается соответствием разрабатываемой проблемы современной межвузовской научно-технической программе «Энерго- и ресурсосберегающие технологии добывающих отраслей промышленности», утверждённой приказом Министерства общего и профессионального образования России от 16 марта 1998 г. №717.

Целью диссертационной работы является исследование характеристик и структуры потока рабочего тела в элементах гидропаровой турбины, работающей по принципу сегнерова колеса; определение характеристик ГПТ с учетом особенностей, обусловленных наличием двухфазного потока; разработка рекомендаций по совершенствованию гидропаровых турбин.

Научная новизна полученных в работе результатов заключается в следующем:

1. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования течений вскипающей жидкости в соплах.

2. Проведено визуальное исследование потока. Получены данные о развитии процесса парообразования, получены температурные поля.

3 Получены теоретическая зависимость, учитывающая влияние эффекта скольжения фаз потока в соплах ГПТ на окружной КПД установки и оптимальное значение параметра и/с0.

4. Экспериментально определён КПД радиального насоса в рабочем колесе ГПТ.

5. Разработана методика тепловых испытаний ГПТ, получены экспериментальные характеристики гидропарового агрегата ГПА-10, проведён их анализ и сравнение с теорией. Даны рекомендации по повышению КПД этой энергоустановки.

Практическая ценность и реализация. Проведены тепловые испытания гидропарового агрегата ГПТ-10, подтверждающие работоспособность, простоту и надежность турбоустановки такого типа. Разработаны методики расчета характеристик турбины типа «сегнерово колесо», работающей на вскипающей воде.

На основании полученных при выполнении данной диссертационной работы результатов в ЗАО НПВП «Турбокон» разработана и изготовлена гидропаровая турбина мощностью 10 кВт.

Автор защищает:

1. Результаты экспериментального исследования физических особенностей истечения вскипающей жидкости из сопел.

2. Методику расчета и оптимизации гидропаровой турбины типа «сегнерово колесо», работающей на вскипающей жидкости, с учетом эффективности радиального насоса и коэффициента скольжения фаз.

3. Методику и результаты тепловых испытаний гидропаровой турбины.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается использованием точных приборов и тестовыми опытами с применением сертифицированных средств измерений. Достоверность полученных расчетных зависимостей подтверждается применением в процессе вывода фундаментальных физических и математических законов и методов, согласованием результатов расчета с экспериментальными данными.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на:

• пяти научно-технических конференциях, проводимых в КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана;

• XII Всероссийской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» (Москва, 2004 г.);

• XIV и XV Школах-семинарах по проблемам газодинамики и тепломассообмена (Казань, 2004 г.; Калуга, 2005 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Шевелев, Денис Владимирович

ВЫВОДЫ

1. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования течений вскипающей жидкости в атмосферу в диапазоне параметров ^=100*145 °С,/?о=0,3.0,7 МПа и расходом до 0,5 кг/сек.

2. Проведено визуальное исследование потока. Получены температурные поля потока в диапазоне температур жидкости на входе 100-г130°С с недогревом до состояния насыщения Д/„=0.30°С. Установлена преобладающая роль гетерогенной нуклеации в процессе парообразования. Зафиксирован факт метастабильного состояния жидкости в диапазоне указанных параметров.

3. Получена теоретическая зависимость, учитывающая влияние эффекта скольжения фаз потока в соплах ГПТ на окружной КПД установки. Данная формула позволяет определять оптимальное значение параметра и/с0 при заданном теплоперепаде с учетом потерь в соплах. В результате установлено, что уменьшение коэффициента скольжения фаз потока на выходе из сопла приводит к существенному снижению КПД турбоустановки и сдвигу оптимальных значений параметра и2/с0 в сторону уменьшения по сравнению с классической характеристикой сегнерова колеса.

4. Экспериментально определён насосный КПД рабочего колеса гидропарового агрегата ГПА-10 (^„=0,7). Это позволяет с большей точностью проводить термодинамический расчет ГПТ и производить выбор её оптимальных параметров.

5. Для оценки влияния режимных параметров на мощностные характеристики ГПТ разработаны программа и методика тепловых испытаний гидропарового агрегата ГПА-10 в составе котельной, проведены тепловые испытания ГПА-10, определено влияние начальных параметров рабочего тела (pQ, /0) и противодавления рг на мощность и КПД турбоустановки.

6. Из анализа полученных экспериментальных характеристик ГПТ определено, что основную роль в эффективности турбоустановки играют правильный выбор размеров рабочих сопл (определяющие их эффективность) и отношения щ/cq, зависящие, прежде всего, от начальной температуры рабочей воды и давления в конденсаторе.

7. Даны рекомендации по повышению эффективности гидропарового агрегата ГПА-10: совершенствование сопл, правильный выбор параметров конденсатора и выдерживание оптимального значения параметра м/с,,, полученного в результате термодинамического расчета.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шевелев, Денис Владимирович, 2007 год

1. Барилович В.А., Смирнов Ю.А., Стариков В.И. О тепловой эффективности геотермальных электростанций //Теплоэнергетика. 1985. №11. С.54-56.

2. Берман Э. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978. 416с.

3. Зысин В.А. Вскипающие адиабатные потоки. М.: Атомиздат, 1976. 152 с.

4. Зысин В.А. Комбинированные парогазовые установки и циклы. JL: Государственное энергетическое издательство, 1962. 188 с.

5. Барилович В.А., Мирошников С.Ф., Стариков В.И. К расчету двухфазной турбины, работающей на вскипающей воде// Труды ЛПИ. 1986. №420. С.58-65.

6. Реактивная турбина. Патент на изобретение №2193669 от 29.09.2000г. Мильман О.О., Демичева Д.И., Дахнович А.А., Голдин А.С., ЗАО НПВП «Турбокон»

7. Дикий Н.А. Судовые газопаротурбинные установки— Л.: Судостроение, 1978. 261 с.

8. Хлесткин Д.А. Спонтанное вскипание метастабильных потоков воды //Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1979. №4.-С.149-152.

9. Хлесткин Д.А., Курзин С.В. Критические режимы истечения вскипающей жидкости//Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1990. С. 159-163

10. Хлесткин Д.А., Канищев В.П. Характерные режимы истечения горячей воды//Теплоэнергетика. 1977, №8. С.69-71

11. Виноградов А.В., Хлесткин Д.А. Критические режимы истечения вскипающей жидкости // Теплоэнергетика, 2005, №1. С.77-80.

12. Дейч Н.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия, 1968. 460 с.

13. Циклаури Г.В., Селезнев Л.И., Данилин B.C. Адиабатные двухфазные течения. М.: Атомиздат, 1973. 460 с.

14. Калинин Ю.Ф. Канд. диссертация. Николаев. Николаевск, кораблестроительный ин-т, 1971г.

15. Голдин А.С. Канд. диссертация. Калуга. КГПУ им. К.Э. Циолковского, 2004 г.

16. Голдин А.С., Мильман О.О. Экспериментальное исследование расширяющихся сопл работающих на сильно недогретой воде// Теплоэнергетика. №3.2003. С.70-73

17. Гортышов Ю.Ф., Тонконог В.Г., Лопатин А.А. Реактивный импульс тяги двухфазной струи/ Труды XXVII Сибирского теплофизического семинара, 1-5 октября 2004 г. — Новосибирск: статья №040.

18. Долинский А.А., Басюк Б.И., Накорчевский А.И. Адиабатические вскипающие потоки. Киев: Наукова думка, 2001. 207с.

19. Лопатин А.А. Канд. диссертация. Казань. КГТУ им. А.Н. Туполева, 2005г.

20. Лопатин А.А., Тонконог В.Г. исследование характеристик двухфазных струй // Труды "Третьей российской национальной конференции по теплообмену". В 8-ми томах. Т.5. Двухфазные потоки и пористые среды. М.: из-во МЭИ, 2002. С. 88-90

21. Поляков К.С. К расчету сопл и цилиндрических каналов при адиабатном истечении испаряющейся жидкости. Труды ЛПИ: Турбомашины, 1965, №247. С. 16-23

22. Аладьев И.Т., Ганжело А.Н., Желтова Г.М., Кабаков В.И. и др. Исследование оптимального по КПД кольцевого сопла на высоковлажном паре. Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1985. С.166-170.

23. Калинин А.В. Оптимизация сопла как разгонного устройства жидкой фазы. Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1976, №6. С. 110-115

24. Барилович В.А. Расчет сопл с парогенерирующими решетками работающих на перегретой воде //Теплоэнергетика, 1991, №6. С.72-75

25. Дейч М.Е., Бердичевский В.Ю. К термодинамическому анализу неравновесных двухфазных потоков. Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1986, №4. С. 120

26. Гаркуша В.И., Стасенко А.Л. Численное исследование парокапельных потоков с учетом фазовых переходов, коагуляции и газодинамического дробления частиц— Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1979, №3. С. 128

27. Пряхин В.Н., Жукавин А.П. Модель двухфазного потока со скольжением применительно к исследованию аварий с потерей теплоносителя. Теплоэнергетика

28. Филиппов Г.А, Даскал Ю.И. О процессах взаимодействия частиц в двухфазных потоках. Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1978, №3. С Л 44

29. Селезнев Л.И., Цвигун С.Т. Расчет двухфазного закрученного потока в расширяющемся канале. — Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1981, №5. С. 123

30. Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. М.: Энергия, 1967.272 с.

31. Кумзерова Е.Ю., Шмидт А.А. Численное моделирование нуклеации и динамики пузырьков при быстром падении давления жидкости — Журнал технической физики, 2002, том 72, вып.7. С.36-40

32. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред — М.: Наука, 1987. Т2. 359 с.

33. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975. 342 с.

34. Нигматуллин Р.И. Основы механики гетерогенных сред. М.: Наука, 1978.336 с.

35. Кутателадзе С.С., Стырикович М.А. Гидравлика газожидкостных систем. М.: Энергия, 1976.296 с.

36. Самойлович Г.С. Гидрогазодинамика. 2-е изд. перераб и доп. М.: Машиностроение, 1990.384 с.

37. Калинин А.В. К построениею уравнений гидромеханики двухфазной среды с фазовыми переходами. Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, 1969, №6. С.110.

38. Rivard W.C. Nravis J.R. F non-eduilibrum vapor production modelflor critical flow //Nucl. Sci Eng. -1980. 74. - P.40-88.

39. Иваницкий Г.К. Моделирование стационарного и нестационарного истечения адиабатно вскипающей жидкости из коротких каналов — 4-ый международный форум по прблемам тепло- и массопереноса. — Минск, 2000г. т. 5. — С.95-105

40. Кириллов П.Л., Н.М. Комаров, Субботин В.И. Измерение некоторых характеристик парожидкостного потока в круглой трубе. Препринт ФЭИ-421, 1973.30 с.

41. Лемешинский И.А., Зайцев Ю.В., Бажанов В.И. Зондовый метод измерения параметров двухфазного двухкомпонентного потока // Газодинамика многофазных потоков в энергоустановках. Вып. I. — Харьков: ХАИ, 1978. С.123-128

42. Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978.448 с.

43. Левковский О.Л. Структура кавитационных течений. Л.: Судостроение, 1978

44. Winterton R.H. Boiling noise detection//J. Brit. Nucl. Energy Soc. 1973. Vol. 12, №4. —P. 459-462

45. Мельников В.И., Усынин Г.БАкустические методы диагностики двухфазных теплоносителей ЯЭУ. М.:Энергоэтомиздат, 1987. 160с.

46. Duffey R.B., Hall R.S. An ultrasonic technique for measuring the transient movements of liquid-vapor interface //J.Sci.Instrum. 1969. Vol.2.S.2.P. 193194,2002.

47. Резистивный и емкостной методы измерения паросодержания / В.И. Субботин, Ю.Е. Похвалов, Л.Е. Михайлов и др.//Теплоэнергетика. 1974. №6. С.63-68

48. А.с. 690374 СССР. MKH3G01N 29/02 Кондуктометрическая ячейка/С.И. Поколодный, А.Ф. Билогай, В.В. Малявин //Открытия. Изобретения. 1976.№37

49. Стырикович М.А., Резников М.И. Методы экспериментального изучения процессов генерации пара. М.: Энергия, 1976. 279 с.

50. Neal D.G., Bonkoff S.G. A high resolution resistivity probe for determination of local and properties in gas-liquid flow //Amer. Inter. Chem. Eng. J. 1963. Vol. 9. P490-494.

51. Похвалов Ю.Е., Каблин А.И. Измерение вероятностного локального паросодержания в трубе// Теплоэнергетика, 1981. №7. С.44-48.

52. Uga Т. Determination of bubble-size distribution in a BWR// Nucl. Eng/ and Desine/1972. Vol. 22. №2. P.252-261.

53. Serizawa A., Kataoka I., Miehiyoshi I. A hight resolution resistivity probe for determination of local and properties in gas-liquid flow// Amer. Inter. Chem. Eng. J. 1963. Vol. 9. P.490-494.

54. Резников М.И., Миропольский 3.JI. Радиоизотопные методы исследования внутрикотельных процессов. М.:Энергия, 1964.216с.

55. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей /С.П. Беляев, Н.К. Никифирова, В.В. Смирнов, Г.И. Щелчков. -М.: Энергоиздат, 1981.232с.

56. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичус Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. -М.:Наука, 1982.304с.

57. Дюррани Т., Грейтид К. Лазерные системы в гидродинамических исследованиях: Пер. с англ. М:Энергия, 1980.160 с.

58. Архипов В.А. Лазерные методы диагностики гетерогенных потоков: Учебное пособие/ Под ред. И.М. Васенина. -Томск: Изд-во Том. университета, 2003.140 с.

59. Ривкин С.Л., Кремлевская Е.П. Уравнения состояния воды и водяного пара для машинных расчетов, процессов и оборудования электростанций // Теплоэнергетика, 1977, №3. — С. 69-73

60. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара — М.: Изд. Стандартов, 1959.408 с.

61. Кириллов И.И., Кириллов А.И. Теория турбомашин. Учебное пособие для вузов. — Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1974. 320 с.

62. Пиотровский Л.М., Электрические машины, Л.: «Энергия», 1974г.

63. Шели X. Теория инженерного эксперимента — М.: Мир, 1972.146 с.

64. Кассандрова О.Н., В.В. Лебедев Обработка результатов измерений. М.: Наука, 1970.