Исследование и разработка стопорно-регулирующих клапанов, обладающих повышенной надёжностью и низким аэродинамическим сопротивлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Коротков, Виталий Владимирович

• Коротков, Виталий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Коротков, Виталий Владимирович

Условные обозначения и сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Стопорно-регулирующие клапаны, их достоинства и недостатки.

1.2. Особенности течения среды в системе "клапан-диффузор".

1.3. Причины нестабильной работы регулирующих клапанов паровых турбин.

1.4. Выбор формы запорного органа.

1.5. Целесообразность снижения скорости в клапанном канале.

1.6. Способы разгрузки клапана от подъёмного усилия.

1.7. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КЛАПАНОВ, МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ, ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОЦЕНКА ПОГРЕШНОСТЕЙ, ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Описание экспериментальной установки, системы измерений и методики обработки опытных данных.

2.2. Оценка погрешности измерения приведенного расхода.

2.3. Описание объектов исследования.

2.4.1. Новая конструкция стопорно-регулирующего клапана.

2.4.2. Описание исследованных моделей.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СИЛОВЫХ И АЭРОДИНА -МИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛЕЙ НОВОГО СТОПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩЕГО КЛАПАНА.

3.1. Исследование силовых характеристик моделей регулирующего клапана в составе нового комбинированного клапана.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка стопорно-регулирующих клапанов, обладающих повышенной надёжностью и низким аэродинамическим сопротивлением»

Регулирующие клапаны являются исполнительными органами системы парораспределения турбины, и от их надёжности зависит надёжность эксплуатации всей турбоустановки. По этой причине проблема создания высоконадёжных клапанов, обладающих при полном открытии, низким сопротивлением является весьма актуальной. Эта проблема становится особенно серьёзной при повышении начальных параметров пара, так как с ростом начального давления растут статические усилия и резко возрастают динамические нагрузки на все подвижные элементы клапана.

Кроме того, ряд исследований последнего времени показал целесообразность более широкого использования дроссельного регулирования и, соответственно, становится весьма актуальной проблема создания клапанов повышенной пропускной способности при минимальном гидравлическом сопротивлении на их полном открытии. Существующие конструктивные решения этим требованиям не удовлетворяют, так как для увеличения расхода необходимо либо увеличивать расчётную скорость пара, либо увеличивать посадочные диаметры клапанов. В первом случае растёт сопротивление в системе паровпуска, а во-втором - усилие, необходимое для перестановки клапанов. Одновременно существенно возрастают проблемы с обеспечением надёжности всей конструкции. Здесь перспективным направлением является разработка новых комбинированных стопорно-регулирующих клапанов.

Таким образом, актуальность предлагаемой работы определяется не только существующими сейчас проблемами, но и всем комплексом проблем, с которыми неизбежно придётся столкнуться при создании следующего поколения энергетических турбин. 7

Работа выполнялась на кафедре паровых и газовых турбин МЭИ (ТУ) при активной поддержке сотрудников сектора "Диффузорных течений", которым автор выражает искреннюю благодарность.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Коротков, Виталий Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Создан универсальный экспериментальный стенд, который совместно с используемой современной измерительной аппаратурой позволяет проводить исследования нестационарных силовых и расходных характеристик как комбинированных стопорно-регулирующих клапанов, так и отдельно стопорных или регулирующих клапанов различной конструкции.

2. Получены осциллограммы силовых характеристик различных вариантов конструктивного исполнения регулирующего клапана в составе комбинированной конструкции, что позволило установить основные факторы, влияющие на надёжность и сопротивление органов паровпуска, и на этой основе разработать новые клапаны, сопротивление которых при полном открытии не превышает 2% от начального давления пара, а уровень динамических сил на всех режимах работы турбины не превышает 0.3% от величины статической нагрузки на шток клапана.

3. Экспериментально показано, что соединение камеры разгрузки клапана с клапанным каналом не через центральное отверстие его чаши, а посредством отверстий перфорации на её обтекаемой поверхности и введение в конструкцию клапана промежуточной демпферной камеры позволяет практически полностью избежать пульсаций сил на штоке клапана и приблизительно в 4 раза снизить статические усилия по сравнению с неразгруженным клапаном.

4. Исследовано влияние расположения отверстий перфорации на обтекаемой поверхности чаши регулирующего клапана на его силовые характеристики. Показано, что размещение перфорации вблизи посадочного диаметра позволяет получить максимальную степень разгрузки клапана и минимальные усилия на его штоке.

5. Исследовано влияние конуса подгрузки на силовые характеристики клапана. Показано, что выключение разгрузки клапана путём прекращения доступа пара в его камеру разгрузки при подъёме h= 0.15 - 0.16 создаёт на полном открытии клапана усилие, обеспечивающее надёжное прижатие чаши клапана к головке штока.

6. Исследовано влияние перфорации на уровень нестационарных сил клапана при малых подъёмах h <0.15 и сверхкритических перепадах давления на нём. Показано, что выполнение на обтекаемой поверхности чаши трёх рядов перфорации, максимально приближенных к области посадочного диаметра клапана, с кольцевыми канавками, объединяющими все отверстия рядов перфорации, обеспечивает практически полное отсутствие пульсаций усилий на штоке клапана, во всём рабочем диапазоне перепадов давления на клапане 82 и при всех подъёмах клапана.

7. Проведена визуализация течения рабочего тела в клапанной коробке для двух наиболее распространённых типоразмеров клапанов, показала полное отсутствие циркуляционного течения рабочей среды не только в клапанной коробке, но и в последующем клапанном канале.

8. Новый стопорно-регулирующий клапан, установлен на турбине 18К360 на электростанции в г. Белхатув в Польше. Независимые натурные испытания и опыт эксплуатации нового стопорно-регулирующего клапана в течении 2-х лет подтвердили его заявленные характеристики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Коротков, Виталий Владимирович, 2003 год

1. Паротурбинные установки атомных электростанций / Под ред. Ю.Ф. Косяка. - М.: Энергия, 1978. - 312 с.

2. Паровая турбин К-160-130 ХТГЗ / Под ред. С.П. Соболева. М.: Энергия, 1980.-С.67.

3. Кириллов И.И., Иванов В.А., Кириллов А.И. Паровые турбины и паротурбинные установки. Л.: Машиностроение, - 1978. - 276 с.

4. Немиров B.C. Регулирование паровых турбин Харьковского турбинного завода// Энергомашиностроение. 1959. -№12. - С. 14-19.

5. Немиров B.C., Рожанский В.Е. Клапан защиты паровой турбины от разгона. А.С. №113212 (СССР). Опубл. в бюл. "Открытия. Изобретения. Промышленные образцы. Товарные знаки". 1958. №5. - С. 137.

6. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П. Новые регулирующие клапаны паровых турбин, их характеристики и опыт эксплуатации // Теплоэнергетика. -1996. -№1.- С. 18-22.

7. ЩегляевА.В. Паровые турбины. М.: Энергия, 1976. -368 с.

8. Паровая турбина К-500-240 ХТГЗ / Под ред. В.Н. Саввина. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 264 с.

9. Леках М.Я., Сысоева В.А., Новопавловский Б.П. Силовые и вибрационные характеристики регулирующих клапанов паровых турбин//Энергомашиностроение. -1972.-№ 4.-С. 39-41.

10. Ю.Трояновский Б. М. Турбины для атомных электростанций. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 232 с.

11. П.Веллер В.Н. О регулировании мощных паровых турбин // Электрические станции. 1960. - №10. - С.17-22.

12. Кауркин В.Н. Расчетно-экспериментальный путь совершенствования регулирующих клапанов мощных паровых турбин: Автореф. дис. к-та техн. наук. М., 1985. - 17 с.

13. Патент №2008440. Бюл. №4. 28.02.94. Комбинированный стопорно-регулирующий клапан // Зарянкин А.Е., Кирюхин В.И., Демичева Д.И.

14. А. с. 168968 СССР. БИ №5, 26.11.65. Регулирующий клапан / Ф.А. Басов (СССР).

15. Кауркин В.Н., Погорелов С.И. Силовые и аэродинамические характеристики регулирующих клапанов // Сб. науч. тр. №203. Проблемы совершенствования турбомашин. М.: Моск. энергетич. инт,- 1989.-С.36-41.

16. Трухний А.Д. Стационарные паровые турбины. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 640 с.

17. А. с. 421784 СССР, FOld 17/00, 21.09.72. Устройство для регулирования расхода пара в турбину / М.М. Волынский, В.Н. Проскурин, И.Г. Левит (СССР).г

18. Arkadij Zaryankin, Jerzy Sliwinski, Elzbieta Michalek Doswiadczenia z eksploatacji zaworow odcinajaco-regulacyjnych do turbin 18K360 / Problemy I innowacje w remontach energetycznych. Jugowice. 27-29 XI 2002. P.275-281.

19. Трухний А.Д., Крупенников Б.Н., Петрунин C.B. Атлас конструкций деталей турбин. 1990.

20. А. с. 584349 (Швейцария) F01D 17/10 31.01.77. Kombiniertes Schnellschluss und RegeWentil/ Kudernatsch Giinter, Oberle Arthur (Швейцария).

21. Юрасов A.M. Разработка и комплексное исследование стопорно-регулирующей арматуры транспортных теплосиловых установок: Автореф. дис. . к-та техн. наук. МЭИ. М., 1993.

22. Дейч М.Е., Зарянкин А.Е. Газодинамика диффузоров и выхлопных патрубков турбомашин. М.: "Энергия", 1970. - 384 с.23. www.alstom.com.

23. Дейч M.E., Зарянкин А.Е. Гидрогазодинамика. М.: Энергоатомиздат, 1984.-384 с.

24. Зарянкин А.Е., Головин В.А., Этт В.В. Влияние условий входа на аэродинамические характеристики регулирующих клапанов // Теплоэнергетика. 1975. - № 1. - С. 87-90.

25. Зарянкин А.Е., Ефремов А.А., Этт В.В. Об использовании диффузоров в регулирующих клапанах паровых турбин // Теплоэнергетика. 1977. - № 9. - С. 20-23.

26. Зарянкин А.Е., Грибин В.Г. Некоторые характеристики регулирующих клапанов турбомашин // Энергомашиностроение. -1983.-№9.- С. 6-8.

27. Зарянкин А.Е., Этт В.В., Грибин В.Г., Тарват X. Особенности применения диффузорных седел в клапанах различной конструкции // Изв. вузов. Энергетика. -1981.-№ 2.-С. 43-46.

28. А. с. 399671 СССР, F01D 17/10 F16K 1/34, 02.07.71. Регулирующий клапан / А.Е. Зарянкин (СССР).

29. Зарянкин А.Е., Толкачев Б.П. Реконструкция регулирующих клапанов на турбинах типа ПТ-60, Р-50 J1M3 // Тр. ин -та / Моск. энергетич. ин-т(ТУ). 1980.-Вып. 504.-С. 33-38.

30. Зарянкин А.Е., Киселев Л.Е., Кауркин В.Н., Серегин В.А. Эффективность совершенствования регулирующих клапанов паровых турбин // Тр. ин-та /Моск. энергетич. ин-т (ТУ).- 1984. -Вып. 626.-С. 16-20.

31. Зарянкин А.Е., Киселев JI.E., Кауркин В.Н., Иванов С.Н. Аэродинамические пути повышения надежности регулирующихклапанов 11 Тр. ин -та / Моск. энергетич. ин-т (ТУ). 1986. - Вып. 115.- С. 70-77.

32. Зарянкин А.Е., Толкачёв Б.П. Опыт эксплуатации и результаты испытаний промышленного образца перфорированного клапана // НИИ Информэнергомаш. 1980. - №84. - С. 22 -25.

33. Серёгин В.А. Аэродинамическое совершенствование клапанов паровых турбин с целью снижения потерь давления в системе паровпуска: Автореф. дис. к-та техн. наук. М., 1984. - 18 с.

34. Зарянкин А.Е., Киселев JI.E., Погорелов С.И., Серегин В.А. Некоторые вопросы модернизации регулирующих клапанов паровых турбин // Тр. ин-та / Моск. энергетич. ин-т (ТУ). 1982. -Вып. 574.-С. 62-67.

35. Зарянкин А.Е. Вопросы совершенствования и профилирования регулирующих клапанов паровых турбин // Энергомашиностроение. -1986.-№11.-С. 25-29.

36. Зарянкин А. Е. Отрыв пограничного слоя и некоторые новые методы его предотвращения в диффузорных каналах // Вестник МЭИ. 1995.- №3.

37. Ржезников Ю.В., Бойцова Э.А. О причинах нестабильной работы регулирующих клапанов мощных паровых турбин //Теплоэнергетика. 1963. - № 3. - С. 25-29.

38. Трояновский Б.М., Корягин А.В. Экономическая эффективность снижения потерь давления в клапанных системах паровых турбин // Вестник МЭИ. 1996. - №4.

39. Мутуль В.В., Козлов И.С., Орлик В.Г. О виброактивности регулирующих клапанов паровых турбин // Тяжёлое машиностроение.- 1993. №8.

40. Пшеничный В.Д., Юрченко В.П., Яблоник JI.P. Исследование источников шума и вибрации клапанов // Изв. вузов. Энергетика. -1979.-Хо 2.-С. 62-67.

41. Ржезников Ю.В. О причинах и путях устранения нестабильной работы регулирующих клапанов мощных паровых турбин: Автореф. дис. .к-та. техн. наук. М.: ВТИ, 1963.-24 с.

42. Ханин Г.А. О типах колебаний регулирующих клапанов паровых турбин // Теплоэнергетика. 1978. - № 9.-С. 19-24.

43. Чернышевский Т.К. О колебаниях регулирующих клапанов паровых турбин // Котлостроение. 1952. - №6. - С. 37-44.

44. Колыванов В.Г., Ханин Г.А. О повышении вибрационной надёжности регулирующих клапанов высокого давления паровых турбин мощностью 800 МВт. Л.: JIM3, - 1983.

45. Костюк А.Г. Анализ колебаний в пароподводящей системе паровых турбин // Теплоэнергетика. 1998. - №8. - С. 17 -24.

46. Костюк А.Г., Куменко А.И., Некрасов A.JI. и др. Экспериментальный анализ пульсаций давления в пароподводящих органах турбоагрегата // Теплоэнергетика. 2000 - №6. - С. 50 -52.

47. Зарянкин А.Е., Толкачев Б.П. Причины виброакустических шумов в клапанах паровых турбин // Тр. ин-та / Моск. энергетич. ин-т (ТУ). 1980. -№505. - С. 77-83.

48. Зарянкин А.Е. Совершенствование регулирующих клапанов паровых турбин // Теплоэнергетика. 1986. -№11.- С.25 - 29.

49. Грибин В.Г., Денисов В.Н., Тарват X. Влияние клапанной коробки на характеристики системы паровпуска // Тр. ин-та / Моск. энергетич. ин-т (ТУ).-1982.-Вып. 574.-С. 90-96.

50. Ханин Г.А. О моделировании колебаний регулирующих клапанов паровых турбин. // Энергомашиностроение. -1978.-№ 7.-С. 41-43.

51. Дейч М.Е., Самойлович Г.С. Основы аэродинамики осевых турбомашин. М.: Машгиз, 1959. - 427 с.

52. Бобеску Н., Бозан Г., Негря В. Определение силовых характеристик односедельных регулирующих клапанов паровой турбины // Constructiade Masini. 1996. - №1. (Русск. перевод).

53. Котляров В.М. Экспериментальные характеристики регулирующих клапанов // Энергомашиностроение. 1973. - №6. - С. 32 -34.

54. Зарянкин А.Е., Этт В.В., Зарянкин В.А. Сравнительная оценка регулирующих клапанов паровых турбин // Теплоэнергетика. 2001. -№ 3. - С. 53-57.

55. Зарянкин А.Е., Черноштан В.И. Аэродинамические принципы проектирования клапанов паровых турбин // Теплоэнергетика. -1997. -№1.- С. 51-54.

56. Зарянкин А.Е., Головина Л.Г., Серегин В.А. Влияние формы входного участка регулирующего клапана на распределение скоростей // Энергомашиностроение. 1983. -№ 6.-С. 12-13.

57. Жинов А.А. Совершенствование регулирующих клапанов паровых турбин в трансзвуковой области течения: Дисс. . канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1994.-173 с.

58. А. с. 922390 СССР, F01D 17/10 F16K 1/34, 30.09.80. Регулирующий клапан / А.Е. Зарянкин, В.Г. Грибин, Этт В.В., Киселёв Л.Е. и др. (СССР).

59. Этт В.В. Исследование и аэродинамическое совершенствование регулирующих клапанов паровых турбин: Автореф. дис. . к-та техн. наук.- М., 1975.-24с.

60. Погорелов С.И. Комплексное исследование и разработка новых регулирующих клапанов паровых турбин с целью повышения их надежности и экономичности: Автореф. дис. . к-та техн. наук. -МЭИ. М., 1989.- 17 с.

61. А. с. 2068139 СССР МКИ6 F16K 1/00. 20.10.96. Бюл. №29. Регулирующий клапан / А.Е. Зарянкин, В.Е. Каращук, Б.П. Симонов (СССР).

62. Насулько Д.Р., Перетятко Д.В. Освоение и совершенствование системы регулирования, парораспределения и защиты энергоблоков 800 МВт Запорожской ГРЭС // Электрические станции. 1984. - №1-С. 24-27.

63. Хавеман Ю. Совершенствование органов парораспределения паровых турбин с отбором пара: Автореф. дис. . к-та. техн. наук. М, 1987.- 16 с.

64. Зарянкин А.Е., Кауркин В.Н., Серегин В.А., Хавеман Ю. Аэродинамические характеристики колокольных клапанов // Тр. ин -та / Моск. энергетич. ин-т. 1984. - Вып. 623.- С. 120-123.

65. Зарянкин А.Е., Симонов Б.П., Парамонов А.Н., Коротков В.В. О вибрационной надёжности тарельчатых и профилированных регулирующих клапанов // Теплоэнергетика. 2002. - №6. - С.35-38.

66. Ревзин B.C., Колодочко С.А. Снижение гидравлических потерь в регулирующих клапанах турбин // Электрические станции. 1959. — № 6.- С. 14-18.

67. Зинченко В.И. Пути и методы снижения шума регулирующих клапанов // Судостроение за рубежом. 1978. -№2. - С. 13-25.

68. Зарянкин А.Е., Кауркин В. Н., Погорелов С.И. Основные характеристики новых разгруженных регулирующих клапанов // Тр. ин-та / Моск. энергетич. ин-т (ТУ). 1993.- №663.

69. А. с. 438794 СССР, F01D 17/10 , 05.08.74. Регулирующий клапан паровой турбин/ В.И. Лезман (СССР).

70. А. с. 580332 СССР, F01D 17/10. Устройство для регулирования подачи пара в турбину / С.Н. Иванов (СССР) // Открытия. Изобретения. №42. 1977.

71. А. с. 1592523 СССР МКИ5 А1 F01D 17/14. 15.09.90. Бюл №34 Регулирующий разгруженный клапан / А.Е. Зарянкин, Л.Е. Киселёв, В.Н. Кауркин, С.И. Погорелов (СССР).

72. А. с. 538143 СССР, F01D 17/10, 05.12.76. Регулирующий клапан / В.М. Карлинер (СССР).

73. А. с. 423389 Швейцария, F06K 15773/64, 26.04.67. Entlastetes Einsitzventil / Artur Oberle (Швейцария).

74. Кириллов И.И. Регулирование паровых и газовых турбин. М.-Л.: Госэнергоиздат, - 1953. - 407 с.

75. Брискин И.С. К вопросу об определении расхода среды через регулирующий клапан турбины // Изв. вузов. Энергетика. 1981. - №5. -С. 103-104.

76. Поликовский М.В. К расчету сопл и клапанов // Теплоэнергетика. -1954.-№10.- С. 42-46.

77. Turbine design envolves to match steam conditions. // Power. 1966. vol. 10, №12, p. 18-21.

78. Шерстюк A.H. Расчёт течений в элементах турбомашин. М.: Машиностроение, 1967. - с. 186.

79. Тензометрия в машиностроении / Под ред. Р.А. Макарова. М.: Машиностроение, 1975. 288 с.

80. Тюрин Н.И. Введение в метрологию. М.: Издательство стандартов, 1976.

81. Солодов Ю.С. Обработка результатов наблюдений. М.: МЭИ, 1980.

82. ГОСТ 8.011 -72. Показатели точности измерений и формы представления результатов измерений. М.: Изд-во стандартов, 1972.

83. Робожев А.В. К вопросу о снижении потерь давления в регулирующих клапанах паровых турбин // Тр. ин -та / Моск. энергетич. ин-т (ТУ). 1963. - Вып. 47.- С. 117-127.213

84. Камырин В.И. О характере движения пара в клапанной коробке // Энергомашиностроение. 1959. -№ 11. - С. 38-41.

85. Ржезников Ю.В., Тубянский Л.И., Генкин А.Л. Измерение пульсаций давления в регулирующих клапанах паровых турбин // Теплоэнергетика.-1961.-№ З.-С. 33-36.

86. Тубянский Л.И. Испытание органов парораспределения паровых турбин. В кн.: Исследование элементов паровых и газовых турбин. -М.Л.: Машгиз, 1960. - С. 133 - 148.

87. Pluviose М. Etude des instadilites d'ecoulement dans les soupapes de reglage de turbines a vapeur. // Revue Francaise de Mecanique. 1981. -n.78. - p. 13-29.

88. Пряхин B.B., Филатова B.A., Шведова А.И. Экспериментальное исследование расходной характеристики клапана с разгрузкой // Теплоэнергетика. 1969. - №12. - С.24 -27.