Исследование сопл гидропаровой турбины при истечении жидкости с большим недогревом до температуры насыщения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Голдин, Александр Сергеевич

• Голдин, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Голдин, Александр Сергеевич

Основные обозначения.

Введение.

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

§1.1. Особенности течения двухфазной среды в соплах.

§ 1.2. Теоретические исследования и модели течения вскипающего потока.

§1.3. Результаты экспериментальных исследований.

§1.4. Анализ работ по исследованию двухфазных течений и постановка задачи.

ГЛАВА II. Экспериментальная установка и методика исследования.

§2.1. Экспериментальный стенд.

§2.2. Установка измерения реактивной тяги сопла.

§2.3. Геометрические характеристики исследуемых сопл.

§2.4. Система измерения параметров рабочего тела.

§2.5. Методика проведения эксперимента и обработки результатов испытаний.

§2.6. Оценка погрешности измеряемых величин.

ГЛАВА III. Истечение из сопл Лаваля вскипающей жидкости с большим недогревом до температуры насыщения.

§3.1. Распределение давления и режимы течения в соплах Лаваля.

§3.2. Расходные характеристики и коэффициент расхода.

§3.3. Коэффициент скорости сопла Лаваля.

§3.4. Коэффициент скольжения фаз в выходном сечении сопла.

§3.5. Коэффициенты тяги, потери энергии и КПД сопла.

ГЛАВА IV. Влияние геометрической формы расширяющейся части на эффективность работы сопл Лаваля.

§4.1. Влияние угла раскрытия.

§4.2. Влияние степени расширения при постоянном угле раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля.

§4.3. Предельный угол раскрытия расширяющейся части сопла Лаваля.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование сопл гидропаровой турбины при истечении жидкости с большим недогревом до температуры насыщения»

В настоящее время нетрадиционные возобновляемые источники энергии, связанные с использованием солнечного излучения, энергии ветра, геотермальной энергии, энергии биомассы, достигли уровня промышленного применения. Масштабы их применения непрерывно и интенсивно возрастают. Главными стимулами развития нетрадиционных возобновляемых источников энергии являются постепенное истощение традиционных видов топлива и возрастающие экологические требования.

Указанные виды энергии в ближайшем будущем не могут стать существенными заменителями нефти, газа, угля, ядерной энергии, но они могут уже сегодня стать важным дополнительным источником энергии. Необходимо учесть, что значительный рост стоимости органического топлива также заставляет более серьезно подходить к использованию нетрадиционных энергетических ресурсов с целью выработки электрической и тепловой энергии.

Значительные запасы термальных и промышленных вод с температурой 100 ч- 150°С могут служить для выработки электроэнергии как по одноконтурной тепловой схеме с непосредственным использованием природного пара в конденсационных турбинах, так и по двухконтурной с низкокипящим рабочим телом.

Относительно новый прогрессивный способ выработки электроэнергии при использовании низкопотенциального тепла - это установка в одноконтурную тепловую схему полнопоточной гидропаровой турбины (ГПТ). Такие схемы апробированы на опытных установках: в С-Петербургском государственном техническом университете (С.ПГТУ) [1], в лаборатории бифазных энергетических установок (США, штат Калифорния) [2, 3], на фирме Фудзуки Электрик Корпорейш в Японии [4], в ЗАО «Турбокон» [5].

Экспериментальная гидропаровая турбина С.ПГТУ - одноступенчатая турбина активного типа. Рабочим телом турбины является недогретая на 2-^5 °С до температуры насыщения горячая вода с давлением Р0 = 0,8МПа. Сопла Лаваля ГПТ выполнены с парогенерирующими решетками, создающими мелкодисперсный поток без заметного механического скольжения между фазами.

Экспериментальная гидропаровая турбина лаборатории бифазных энергетических установок (США) - жидкостная турбина, одноступенчатая, активная, ковшового типа. Турбина состоит из трех основных элементов: двухфазного сопла, ротационного сепаратора и жидкостной турбины. Двухфазное сопло представляет собой сопло Лаваля, в котором давление снижается постепенно за счет изменения сечения сопла. В ротационном сепараторе происходит отделение жидкости от пара. Поток отсепарированного пара отводится в паровую турбину, а отсепарированная жидкость (вода) в "жидкостную" турбину, где происходит преобразование в мощность.

В ЗАО «Турбокон» предложена простая и универсальная модель реактивной турбины типа «сегнерова колеса», работающая на горячей воде. Вода подается в центр рабочего колеса. Далее вода по радиальным каналам, в которых увеличивается давление, поступает к соплам Лаваля. В соплах происходит ускорение воды и ее вскипание. Выходя из сопл, пароводяная смесь создает тягу. Так как в данной конструкции нет традиционного турбинного рабочего колеса с лопаточным аппаратом, то нет потерь энергии в лопаточном аппарате, и нет проблем с эрозионным износом рабочих лопаток. «Сегнерово колесо» обеспечивает максимальную простоту конструкции турбины.

Эффективность работы турбины непосредственно связана с эффективностью ее основного элемента - сопла.

То обстоятельство, что в «сегнеровом колесе» на входе в сопло значительно увеличивается давление рабочей воды, а само сопло участвует в равномерном вращательном движении, ставит много вопросов при проектировании ГПТ данной конструкции. Ранее проведенные исследования истечения из сопл Лаваля жидкости сильно недогретой до температуры насыщения не дают ответов на поставленные вопросы.

Таким образом, актуальность выбранной темы диссертационного исследования определяется необходимостью разработки высокоэффективных сопл Лаваля для ТОТ типа сегнерова колеса, и подтверждается соответствием разрабатываемой проблемы современной межвузовской научно-технической программе «Энерго- и ресурсо- сберегающие технологии добывающих отраслей промышленности», утвержденной приказом Министерства общего и профессионального образования России от 16 марта 1998г. №717.

Целью диссертационной работы является исследование влияния геометрических и режимных параметров на эффективность работы сопл Лаваля при истечении воды с большим недогревом до температуры насыщения.

Конкретными задачами исследования являлись:

• Проведение экспериментального исследования процессов истечения из сопл Лаваля вскипающей жидкости с большим недогревом до температуры насыщения;

• Выбор оптимальной геометрии сопла Лаваля для установки в ГПТ типа сегнерова колеса.

Научная новизна работы:

• Проведены исследования процессов истечения из сопл Лаваля вскипающей жидкости с большим недогревом до температуры насыщения в ранее не исследованном диапазоне параметров, определены коэффициенты скорости и показатели эффективности сопл;

• Выявлено влияние геометрических факторов на характеристики сопл (угла раскрытия, степени расширения, формы);

• Определено влияние режимных факторов на характеристики сопл (начального давления, температуры, противодавления);

• Дано объяснение поведения расходных характеристик и потерь энергии в соплах Лаваля при истечении воды с большим недогревом до температуры насыщения.

Практическая ценность работы:

• Получены эмпирические зависимости для расчета давления в горле сопла Лаваля при истечении воды с большим недогревом до температуры насыщения, расчета расхода рабочей воды через сопло, распределения импульсов между жидкой и паровой фазами в выходном сечении сопла;

• Создана методика расчета сопл, работающих на вскипающей воде;

• Предложены оптимальные формы сопл для различных режимных параметров;

• Полученные результаты используются в ЗАО «Турбокон» при выполнении проектных работ по созданию ГПТ мощностью 15 и 300 кВт.

Автор защищает: результаты экспериментальных исследований влияния режимных параметров при истечении вскипающей жидкости на характеристики сопл, на расходные характеристики и соотношение жидкой и паровой фаз в выходном сечении сопла; влияние геометрических факторов расширяющейся части сопл Лаваля на эффективность сопл.

Достоверность полученных данных подтверждается хорошей воспроизводимостью результатов эксперимента. Кроме того, достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается тем, что разброс опытных данных не превышал максимально возможной оценки погрешности эксперимента.

Публикации. По теме диссертационной работы имеется четыре публикации, в том числе в центральной печати. Имеется одно авторское свидетельство.

Апробация работы. Основные материалы докладывались и обсуждались на семинарах КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, КГПУ им. КЗ. Циолковского, НТС ЗАО «Турбокон».

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Голдин, Александр Сергеевич

ВЫВОДЫ.

Выполненная работа позволяет сделать следующие выводы:

1. Разработана и изготовлена уникальная экспериментальная установка для исследования истечения из сопл Лаваля воды сильно недогретой до температуры насыщения. Система измерений данной установки позволяет с большой точностью определять величину реактивной тяги, а также основные характеристики работы сопл - коэффициент скорости, коэффициент тяги, коэффициент скольжения, коэффициент потери энергии.

2. Проведены экспериментальные исследования шести типов сопл Лаваля при истечении воды сильно недогретой до температуры насыщения в диапазоне начальных давлений Р0 =1,0 ч- 5,0МПа, температур Т0 =60°С ч- 140°С и противодавлений Р2 = 5,0 ч- 90,0кПа.

3. В процессе экспериментальных исследований получены следующие результаты:

3.1. Поток ускоряется по всей длине сопла, в сужающейся части сопла ускорение происходит за счет срабатывания перепада давлений однофазной жидкости АР = Ро - Ргорла- В расширяющейся части сопла ускорение двухфазного потока происходит за счет срабатывания располагаемого теплоперепада. Основное ускорение пароводяной смеси происходит в расширяющейся части сопла.

3.2. Давление в горле сопла зависит от температуры рабочей воды перед соплом и приблизительно равно давлению насыщения. Уточненное значение этого давления в исследованном диапазоне параметров рабочей воды можно определить по предложенной эмпирической зависимости (3.12).

3.3. Расход рабочей воды и коэффициент расхода ц уменьшаются с увеличением температуры рабочей воды при постоянном давлении перед соплом, при этом плотность потока в горле сопла уменьшается и приближается к плотности потока насыщенной капельной жидкости.

3.4. При постоянной температуре рабочей воды перед соплом коэффициент расхода ц не зависит от давления за соплом, если это давление ниже давления насыщения для данной температуры.

3.5. В исследованном диапазоне 5 * 105 < Re < 3 * 106 число Re не является определяющим критерием для коэффициента расхода при истечении из сопла Лаваля воды, сильно недогретой до линии насыщения.

3.6. Потери энергии на расчетном режиме истечения слабо зависят от располагаемого теплоперепада, поскольку значительные изменения теплопере-падов не приводят к значительным изменениям коэффициента скорости ср.

3.7. Основная часть потерь энергии на расчетном режиме истечения происходит в расширяющейся части сопла Лаваля при ускорении пароводяной смеси из-за механического взаимодействия фаз.

3.8. В исследованном диапазоне параметров в выходном сечении сопла импульс сил от жидкой фазы больше чем импульс сил от паровой фазы. Это соотношение, начиная с определенного момента, при увеличении температуры рабочей воды перед соплом остается примерно постоянным и не зависит от начального давления и расхода рабочей воды. Поскольку рассогласование скоростей фаз в выходном сечении сопла значительное, этот фактор необходимо обязательно учитывать при установке сопл в турбинах, работающих на вскипающей жидкости.

3.9. В исследованном диапазоне начальных параметров при одинаковой степени расширения, изменение угла раскрытия расширяющейся части сопл у в интервале 12° ч- 30° не приводит к изменению эффективности работы сопл.

Увеличение угла раскрытия больше 30° приводит к снижению эффективности работы сопл.

3.10. Увеличение степени расширения при постоянных параметрах перед соплом приводит к уменьшению давления в выходном сечении сопла, и к смещению расчетного режима истечения в зону более низких противодавлений и некоторому увеличению эффективности работы сопла при Т0 > 100°С.

3.11. Проведенные исследования позволяют рекомендовать сопло №4 для установки в ГПТ при работе с давлением за турбиной в диапазоне от 5 до 15кПа и сопло №1 при работе в диапазоне от 15 до 25кПа

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Голдин, Александр Сергеевич, 2004 год

1. Барилович В.А. Разработка гидропаровых турбин, работающих на вскипающих потоках, с целью использования низкопотенциальной теплоты. Отчет ЛПИ о НИР №308361, Л., 1984.-223 с.

2. T.W. ALGER. Performance of Two-Phase Nozzles for Total- Flow Geo-thermal Impulse Turbines. Lawrence Livermore, Laboratory, University of California, Livermore, California 94550, USA.

3. Д.Дж. Церини и Л.Г. Хейс. Выработка электроэнергии с помощью турбины с ротационным сепаратором, работающей на геотермальном рассоле. Би-фазные энергетические установки. США Штат Калифорния. Контракт RP1196. с. 53-66.

4. Ruozo Nishioka. Reaction Тире Water Turbine. Geothermal Resources Council TRANSACTIONS. Val. 18. October, 1994.

5. Энергоэффективные технологии производства электроэнергии/Технологии «Турбокон», Выпуск №1, М.; Институт исследований статистики и науки России и РАН, 2001г, 40стр.

6. Вайсман М.Д. Термодинамика парожидкостных потоков. Л.: Энергия, 1967, с. 144-147.

7. Келлер В .Д. Исследование стационарного адиабатного критического истечения горячей вода при высоких давлениях через цилиндрические каналы. -Автореферат дисс. на соискание уч.ст. к. т. н. -М.: 1974. 24 с.

8. Коллинз. Критическое истечение недогретой воды и изоэнтропическая гомогенная равновесная модель двухфазного потока. Теплопередача, 1978,т. 100, №2.

9. Шрок, Штаркман, Браун. Вскипание недогретой воды при истечении через сопла Лаваля. Теплопередача, 1977, т.99, №2, с. 113-120.

10. Лабунцов Д.А., Авдеев А.А. Теория скачка вскипания,- ТВТ, 1981, т. 19, №3, с. 552-556.

11. Лабунцов Д.А., Авдеев А.А. Механизм нестационарного истечения вскипающей жидкости. ТВТ, 1982, т.2Л, № 2, с.288-295.

12. Миронов Ю.В. Расчет критического расхода пароводяной смеси. ТВТ, 1975, т.13, № I, с.121-124.

13. Блинков В.Н., Фролов С.Д. Модель течения вскипающей жидкости в соплах.- ИФЖ,. 1982, т.42, №5, с.741-746.

14. Авдеев А.А., Майданник В.Н., Шанин В.К., Селезнев Л.И. Расчет критического расхода при истечении насыщенной и недогретой воды через цилиндрические каналы, Теплоэнергетика, 1977, №4, с.36-38.

15. Авдеев А.А., Майданник В.Н., Шанин В.К. Методика расчета вскипающих адиабатных потоков. Теплоэнергетика, 1977, №8,67-69.

16. Зысин В.А., Баранов Г.А., Барилович В.А., Парфенова Т.Н. Вскипающие адиабатные потоки. М.: Атомиздат, 1976, 152с.

17. Блинков В.Н. Пристенное парообразование в адиабатном потоке вскипающей жидкости. В сб.: Газотермодинамика многофазных потоков в энергоустановках, - Харьков, ХАИ, 1981, вып.4, с. 26-33.

18. Ивандаев А.И., Нигматулин Р.И. К элементарной теории критических (максимальных) расходов двухфазных смесей. ТВТ, 1972, т. 10, № 5.

19. Танжело А.Н. О решении некоторых вариационных задач двухфазной газодинамики, Изв. АН ССС, МЖГ, 1982, №1, с.52-58.

20. Аладьев И.Т., Ганжело А.Н., Крантов Ф.М., Теплов С.В. Расчет и экспериментальное исследование сопл с большими к.п.д., работающих на двухдвухфазной среде. ТВТ, 1982, т.20., №3, с.522-528.

21. Истечение теплоносителя при потере герметичности реакторного контура./ Ю.А.Клайда, В.В.Арсентьев, В.В.Фисенко и др. М.: Атомиздат, 1977, -128 с.

22. Тонконог В.Г., Мухачев Г.А. и др. Критический расход насыщенной и недогретой воды через каналы различной формы. ИФЖ, 1997, т.32, №6, с.990-994.

23. Скрипов B.JI. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. - 312 с.

24. Блинков В,Н., Дыменко С.К., Фролов С.В. и др. Гетерогенный механизм зародышеобразования в потоках перегретой криогенной жидкости.- ИФЖ, 1984, т.44, №3, с.371-375.

25. Циклаури Г.В., Данилин B.C., Селезнев Л.И. Адиабатные двухфазные течения., М.,Атомиздат, 1973

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

27. Гурченок А.А. «Изв. Томск, политехи, ин-та», 1958, т. 101.30. .Поляков К.С. Канд. диссертация. Ленинград, ЛПИ, 1963.

28. Friedrich Н., Fetter G., Energie, 1962, №1, С1144.

29. Николаев В.М., Кирилов А.И., Барилович В.А. Расчет и исследование гидропаровых турбин геотермальных тепловых электрических станций Ленинград, ЛПИ, 1985.

30. Дейч М.И., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред., М., Энер-гоиздат, 1981.

31. Данилин B.C. и др. В кн: Труды Московского энергетического ин-та, 1972, вып.4., с. 128.

32. Тонконог В.Г. Течение испаряющейся жидкости в каналах различной формы. Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. КАИ им. Туполева, 1975.

33. Фисенко В.В. Критические двухфазные потоки., М.,Атомиздат, 1978.

34. Горелик Р.С., Коренкевич М.А., Сафарова Н.С. Критериальная обработка параметров течения самоиспаряющейся жидкости в соплах Лаваля. ИТФ СО АН СССР г.Новосибирск.

35. Klockgether J., Schwefel Н.Р. Reprint of a Paper, Presented at the Symposium on MHD Electrical Power Generation, 1969.

36. Карышев A.K., Жинов A.A., Парсегов Э.А., Шевелев Д.В. Исследование истечения двухфазной смеси из каналов различной формы. МВТУ им.Баумана, г.Калуга, 2002.

37. Ривкин С.Л., Кремлевская Е.А, Уравнения состояния воды и водяного пара для машинных расчетов, процессов и оборудования электростанций. Теплоэнергетика, 1977, №3 , с.69-73.

38. Вукалович М.П., Ривкин С. Л., Александров А. А. Таблицы теплофи-зических свойств воды и водяного пара. М. : Изд. Стандартов, 1959, с. 408.

39. Alger T.W. Performance of Tow-Phas Nozzles for Total-Flow Geothermal Impulse Turbins., Lawrence Livermore Laboratory, University of California, Livermore, California94550,USA.

40. Методическое указание 34-70-093-84 по тепловым испытаниям паровых турбин. М: СПО «Союз техноэнерго», 1986г.

41. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М. Энергия, 1978.

42. Рабинович С.Г. Погрешность измерений. Л. Энергия, 1978г.

43. X. Шели «Теория инженерного эксперимента» изд-во «Мир», М., 1972г.

44. О.Н. Кассандрова, В.В. Лебедев «Обработка результатов измерений» изд-во «Наука», М., 1970г.

45. Сахаров А.М. Тепловые испытания паровых турбин. М. Энергоиздат, 1990гс126- 139.

46. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. М,-Л., Госэнергоиздат, 1950г.

47. Циклаури Г.В. Канд. диссертация. Москва, Московский энергетический ин-т, 1964г.

48. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика, М., Наука, 1969г.

49. Френкель Н.З. Гидравлика, М., ГОСЭНЕРГОИЗДАТ, 1956г.

50. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление, М.,Энергоатомиздат, 1990Г.

51. Данилин B.C., Циклаури Г.В., Калинин Ю.Ф. Исследование характеристик течения самоиспаряющейся жидкости в соплах Лаваля ,Москва, Труды МЭИ 1972г., вып.99, с.81-88.

52. Хлесткин Д.А., Коршунов А.С., Каншцев В.П. Определение расходов воды высоких параметров при истечении в атмосферу через цилиндрические канал ы-Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1978, №5 с. 126-135

53. Зысин В.А. и др. Вскипающие адиабатные потоки, М., Атомиздат, 1976г.

54. Дейч М.Е., Анисимова М.П., Стекольщиков Е.В., Филиппов Г.Д. К экспериментальному определению потерь энергии в двухфазных потоках, доклады научно-технической конференции, Москва, Труды МЭИ, 1966-1967г.