Повышение экономичности цилиндра высокого давления паротурбинной установки малой мощности на основе экспериментальных исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Бирюков, Алексей Валерьевич

• Бирюков, Алексей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бирюков, Алексей Валерьевич

Перечень условных обозначений параметров и характеристик потока

ВВЕДЕНИЕ

1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ ПО ПРЕДМЕТУ ПРОВОДИМЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Регулирующая ступень

1.2. Камера за регулирующей ступенью

1.3. Влияние входной неравномерности на экономичность турбинной ступени

1.4. Методы исследования отсеков с регулирующей ступенью

Задачи исследований36^

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КАМЕРЫ ЗА РЕГУЛИРУЮЩЕЙ СТУПЕНЬЮ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДЕЛЬНОГО ОТСЕКА

2.1. Конструктивные особенности паротурбинных установок с сопловым парораспределением

2.2 Обзор существующих камер за регулирующей ступенью

2.3. Создание модельного стенда

2.4. Основные вопросы моделирования

2.5. Критерии подобия

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Экспериментальная установка, модели ступеней и отсека

3.2. Методика обработки результатов полученных 5-точечным трубчатым Г-образным насадком

3.3. Методика испытаний модели отсека за регулирующей ступенью

3.4. Приведение полей распределения параметров потока к соответствующему режиму

3.5. Осреднение параметров потока в контрольных сечениях

3.6. Расчет средних давлений в контрольных сечениях для определения суммарных характеристик

3.7. Суммарные характеристики элементов отсека

3.8. Определение неравномерности потока по полному давлению

3.9. Расчет погрешностей измерения

3.10. Определение доверительного интервала экспериментальной кривои

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1. Суммарные характеристики регулирующей ступени при работе в изолированных условиях

4.2. Исследование работы регулирующей ступени в составе отсека

4.2.1. Исследование полноподводной РС в отсеке

4.2.2. Исследование работы РС в отсеке при парциальном подводе пара

4.3. Схема исследования течения в камере

4.4. Исследование влияния режима работы регулирующей ступени на характер распространения потока в камере

4.5. Исследование влияния межступенчатого зазора на характер течения

4.6. Исследование влияния геометрических параметров, на коэффициент неравномерности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение экономичности цилиндра высокого давления паротурбинной установки малой мощности на основе экспериментальных исследований»

Актуальность работы

Ведущая роль в производстве электрической энергии принадлежит паротурбинным установкам. Выполнение неравного графика электрической нагрузки обеспечивают пиковые и полупиковые паровые турбины. В рабочем процессе таких турбин важное место занимают отсеки с сопловым парораспределением. Условия работы регулирующей ступени (РС) приводят к значительной окружной неравномерности параметров потока в камере, расположенной за ней, что существенно влияет на экономичность первой нерегулируемой ступени давления (СД) и всего цилиндра высокого давления (ЦВД).

Анализ экспериментальных и теоретических данных показал, что влияние конструктивных и режимных параметров на работу отсеков с сопловым парораспределением остается недостаточно изученным. Полученные результаты дают основание полагать об имеющемся резерве повышения экономичности указанных отсеков за счет совершенствования их конструкции. Поэтому экспериментальные исследования отсеков с РС являются актуальными и представляют определенный практический интерес.

Объект исследования. Объектами исследования являются:

• изолированная парциальная ступень;

• парциальная турбинная ступень с расположенной за ней камерой и последующим направляющим аппаратом (НА) ступени давления (СД).

Цель работы:

Повышение экономичности ЦВД паровой турбины за счет совершенствования отсека с сопловым парораспределением.

Задачи исследования :

• исследование парциальной ступени в изолированных условиях с целью определения ее эталонных и суммарных характеристик;

• исследование влияния межступенчатого расстояния на работу элементов отсека РС - камера - СД;

• исследование влияния входной окружной неравномерности, обусловленной парциальным подводом рабочего тела (р.т.), на коэффициент неравномерности и потери энергии в камере с последующем НА СД;

• исследование влияния геометрических параметров камеры на уровени окружной неравномерности потока и потерь энергии;

• исследование влияния режима работы РС на характер распространения потока в камере.

Для решения поставленных задач потребовалось:

• разработать методику экспериментальных исследований и программу обработки опытных данных;

• определить интегральные характеристики РС в составе отсека и при работе в изолированных условиях;

• исследовать влияние режима работы РС и межступенчатого зазора на характер течения потока в отсеке.

Методы исследования и достоверность полученных результатов

Решение поставленных задач выполнялось с использованием разработанной программы проведения экспериментов для изучения суммарных характеристик моделей ступеней в изолированных условиях и при их совместной работе в отсеке, анализа структуры потока в характерных сечениях ступеней и камеры.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных, проведением оценки погрешности измерений, сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

• разработана классификация существующих конструкций камер за РС, сделаны обобщения и установлены закономерности их проектирования;

• установлено влияния межступенчатого зазора на экономичность работы РС;

• обнаружено влияние режима работы РС и межступенчатого зазора на окружную неравномерность параметров р.т. за НА СД.

Практическая значимость работы заключается в том что:

• обоснованы и исследованы геометрические и режимные параметры, оказывающие влияние на характер течения потока в отсеке паровой турбины с сопловым парораспределением. Определены их оптимальные значения, позволяющие снизить коэффициент потерь энергии на 40%, неравномерность параметров потока на 35%;

• разработана, создана и оснащена измерительными системами материально-техническая база для исследования модельных отсеков паровых турбины малой мощности с сопловым парораспределением.

• предложены конструктивные решения построения РС и камеры за ней, позволяющие повысить КПД ЦВД паровых турбин.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых и модернизации эксплуатируемых турбин с сопловым парораспределением.

Личный вклад автора заключается в следующем:

• проведение анализа конструкций отсеков паровых турбин с сопловым парораспределением и составление их классификации;

• проведение экспериментальных исследований РС;

• проведение исследований течения р.т. в камере за РС при различных вариантах ее конструктивного исполнения;

• проведение анализа полученных экспериментальных данных;

• разработке конструктивных решений по совершенствованию камеры за РС.

Автор защищает:

• результаты теоретических исследований характеристик РС и камеры за ней;

• результаты экспериментального исследования течения р.т. на выходе из исследуемого отсека;

• результаты влияния режимных и геометрических параметров на характер работы элементов отсека;

• решения по совершенствованию конструкции отсеков паровых турбин с сопловым парораспределением.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:

1. Региональная конференция «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск, БГТУ, 11-13 октября 2010 г.

2. XVIII Школа семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в новых энергетических технологиях», Звенигород 23-27 мая 2011г.

3. Заседание кафедры «Тепловые двигатели» БГТУ сентябрь 2011.

4. Научно технический семинар на тему «Повышение экономичности цилиндра высокого давления паротурбинной установки малой мощности на основе экспериментальных исследований», СПбГПУ Санкт-Петербург, СПбГПУ, 06.10.2011.

5. III Международная научно-практическая конференция «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании», Брянск. БГТУ 10-12 октября 2011 года.

Публикации. По результатам диссертационной работы были опубликованы тезисы докладов на различных конференциях, 5 научных статей, в том числе четыре публикации в изданиях из перечня ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 114 страницах текста и содержит 57 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 69 наименований.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Бирюков, Алексей Валерьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В завершение обсуждения полученных экспериментальных материалов можно констатировать, что:

1. Экспериментальные исследования показали, что условия работы РС приводят к значительной неравномерности параметров потока в ее камере. На величину коэффициента неравномерности определяющее влияние оказывают: степень парциальности, межступенчатое расстояние и режим работы РС.

2. В опытах обнаружено влияние межступенчатого расстояния на экономичность самой РС. При уменьшении МСЗ Д2=2.1 КПД РС снизился на 2%.

3. С увеличением степени парциальности снижается градиент изменения КПД РС. При этом наименьший уровень снижения КПД РС наблюдается при оптимальном МСЗ.

4. В исследованном отсеке обнаружено различное влияние МСЗ на потери энергии в камере за РС. Так при уменьшении МСЗ (Аг <2) величина коэффициента потерь Си увеличивается на 40%, увеличение МСЗ (А? >3,5) приводит к росту потерь энергии на 5-7%. В данном диапазоне МСЗ коэффициент неравномерности давления принимает минимальные значения.

5. В исследованном отсеке установлено влияние режима работы на уровень потерь энергии в исследуемом отсеке. Как показали опыты, наличие положений закрутки потока за РК в пределах 8-10% обеспечило снижение потерь на 7-9%.

6. В целях повышения экономичности работы РС и последующих ступеней давления следует рекомендовать:

• выбор МСЗ осуществлять в пределах 2<&г <3,5;

• на стадии проектирования принимать меры по обеспечению положительной закрутки потока за РС (100-105°) в пределах рабочего диапазона переменных режимов работы отсека.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бирюков, Алексей Валерьевич, 2011 год

1. Абрамов, В.И. Оптимальные характеристики парциальной турбинной ступени / В.И. Абрамов, Б.М. Трояновский // Теплоэнергетика. 1962. №6. с. 36-42.

2. Абрамович, Г.Н. Прикладная газовая динамика: Учеб. для втузов. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1969. - 824 с.

3. Афанасьева, H.H. Аэродинамические характеристики ступеней тепловых турбин / Н.Н.Афанасьева, В.Н. Бусурин, И.Г. Гоголев и др.; Под общ. ред. В.А Черникова. -Л.: Машиностроение, 1980. 263 с.

4. Аэродинамика турбин и компрессоров / Под ред. У. Р. Хауторн М.: Машиностроение. 1968. - 742 с.

5. Галацан, В.Н. Влияние неравномерности входного потока на силовые характеристики последующего соплового аппарата /В.Н. Галацан, Д.Н. Пясик, М.С. Коломеец // Теплоэнергетика 1990 - №9- С.45-47.

6. Галацан, В.Н. Исследование регулировочной ступени совместно с последующим направляющим аппаратом / В.Н. Галацан, В.И. Гольман, Л.А. Зарубин, И.В. Пейчез, Б.К. Релих // Теплоэнергетика. -1985-№7- С.61-63.

7. Гоголев, И.Г, Характеристики двухступенчатого отсека и его второй ступени при парциальном впуске первой ступени / И.Г. Гоголев, A.M. Дроконов, В.В. Тарасов // Теплоэнергетика. 1983. - №6. - С. 2426.

8. Гоголев, И.Г. Опытные характеристики парциальной турбинной ступени с противовентиляционным кожухом// Электрические станции. -1976.-№7. -С. 19-20.

9. Ю.ГОСТ 8.563.1- 97. Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения.

10. ГОСТ 8.563.2- 97 Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств.

11. Губарев, A.B. О влияние неравномерности на характеристики турбинных решеток / A.B. Губарев, Ли Цай Сю // Теплоэнергетика. 1963. -№6. -С. 46-48.

12. Дейч, М.Е. Исследование ступеней турбин с кольцевыми диффузорами / М.Е. Дейч, Г.А. Филиппов, В.И. Абрамов // Теплоэнергетика. 1963. -№10.-С. 18-23.

13. Дейч, Д.Е. Исследование турбинных решеток при неравномерном поле скоростей /Д.Е. Дейч, В.И. Никитин // Известия вузов. 1971. -№7. -С. 111-114.

14. Дорфман, Л.А. Неоднородность потока, обтекающего решетку профилей// Котлотурбиностроение. 1950. -№1. -С. 15-17.

15. Елизаров, B.C. О потерях у концов дуги впуска в турбинной ступени с парциальным поводом рабочего вещества // Судостроение. 1961. -№1. -С. 30-33.

16. Емин, О.Н. Воздушные и газовые турбины с одиночными соплами / О.Н. Емин, С.П. Зарицкий. -М.: Машиностроение, 1975. -216 с.

17. Емин., О.Н. Выбор параметров и расчет осевых турбин для привода агрегатов. М.: Оборонгиз, 1962. - 72 с.

18. Ермолаев, B.B. Применение численного моделирования пространственных течений вязкого газа для совершенствования элементов проточной части ЦВД турбины Т—100—130/ В.В. Ермолаев, H.H. Гудков,

19. A.Н. Бабиев и др. // Международная науч.-техн. конф. "Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования" (19-22 сентября 2006, Харьков). CD-ROM. - 11с.

20. Зарянкин, А.Е. Влияние входной неравномерности потока на величину потерь энергии в каналах различной формы / А.Е. Зарянкин, Б.Ф. Барановский, Н.И. Тюфяков // Известия вузов энергетика. 1980. -№1.-С. 74-77.

21. Зарянкин, А.Е. Некоторые возможности повышения КПД проточных частей паровых турбин/А. Е. Зарянкин, В.А. Зарянкин, Б.П. Симонов, Зарянкин А. Е., Зарянкин В. А., Симонов Б. П. // Теплоэнергетика. 2003. №6.-С. 6-11

22. Калинин, Г.Е. Модельные испытания судовых турбин и машин.- JL: Судостроение, 1965. 194 с.

23. Карцев, JI.B. О расчете парциальной ступени турбины с подсосом рабочего тела // Изв. вузов энергетика. 1959. -№9. -С. 69-73.

24. Кириллов, И.И. Теория турбомашин. Л.: Машиностроение, 1972. -536 с.

25. Кирилов, И.И. Влияние аэродинамического следа на обтекание турбинных решеток профилей // Аэродинамика проточной части паровых турбин. 1955 -С.22-30

26. Корнейчук, Н.П. Сплайны в теории приближения.- М.: Наука, 1984352 с.

27. Кромов, А.Г. Влияние периодической нестационарности потока в турбинной ступени на потери активных лопаток // Известия ВТИ. -№1. -С. 1-8.

28. Кузьмичев, Р.В. Влияние условий входа потока на работу турбинной ступени / Р.В. Кузьмичев, A.A. Терешков // Известия Вузов энергетика. -1968,-№12,-С.114-117.

29. Лагун, В.П. Исследование потерь в решетки направляющих турбинных лопаток при неравномерном потоке на входе // Теплоэнергетика. -1961. -№4. -С.31-36.

30. Ласкин, A.C. Неравномерность потока на входе в решетку профилей /A.C. Ласкин, И.Н. Афанасьева // Известия вузов энергетика. 1970. -№11. - С.55-60.

31. Леонков, A.M. Некоторые результаты испытания турбинной ступени с парциальным подводом рабочей среды / A.M. Леонков, В.Ф. Степанчук, В.Ф. Кравец // Известия вузов энергетика. 1962. №9. -С. 72-78.

32. Лойцянский, Л.Г. Механика жидкости и газа М.: Наука, 1970. - 904 с.

33. Марков, Н.М. Влияние расстояния между соседними группами сопел на потери энергии от парциального подвода рабочей среды в турбинных ступенях / Н.М. Макаров, И.К. Терентьев, Ю.А. Марченко // Известия вузов энергетика. 1966. №1. - С. 54-57.

34. Марков, Н.М. Теория и расчет турбинных ступеней. М. - Л.: Машгиз, 1963.- 156 с.

35. Межерицкий А.Д. Вентиляционные потери в турбинной ступени //Энергомашиностроение 1962 - №6 . - С.29-32

36. Межерицкий, А.Д. Определение потерь в парциальной осевой турбинной ступени // Энергомашиностроение. 1974. - №6. - С. 9-11.

37. Новицкий П.В. Оценка погрешностей результатов измерений / П.В. Новицкий., И.А. Зограф. Л.: Энергоатомиздат, 1991. 304 с.

38. Парамонов, А.Н. Разработка и исследование систем нерегулируемых отборов турбин ТЭС и АЭС: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. М., 1990.-20 с.

39. Петунин, А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давления) и скоростного напора. — М.: Машиностроение, 1972. 332 с.

40. Пешехонов, Н.Ф. Приборы для измерения давления, температуры и направления потока в компрессорах. М.: Оборонгиз, 1962. - 184 с.

41. Преображенский, В.П. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергия, 1978.-704 с.

42. Пустыльник, Е.И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М.: Наука, 1968. - 288 с.

43. Пясик, Д. Н. Исследование влияния сопротивления за сопловой решеткой на её силовые и энергетические характеристики / Д. Н. Пясик, М. С. Коломинец // Энергомашиностроение. 1983.-№6.-С. 10-11.

44. Розенберг, С.Ш. Оценка погрешности при определении КПД проточной части турбины / С.Ш. Розенберг, Л.А. Хоменюк, О.И. Мороз и др. // Теплоэнергетика. 1981. - №2. - С. 59-61.

45. Седов, Л.И. Методы подобия и размерности в механике.- М.: Наука, 1977.-440 с.

46. Седов, Л.И., Об осреднении неравномерных потоков газа в каналах / Л.И. Седов, Г.Г. Черный // В сб.: Теоретическая гидромеханика.- №12. Вып. 4.- М, 1954.- С. 27-42.

47. Столяровский, М.Т. Работа центробежной компрессорной ступени в условиях неравномерности потока на входе. // Известия вузов энергетика. 1960, №3, -С. 134-142.

48. Терентьев, И.К. Влияние степени парциальности на реактивность турбинной ступени // Теплоэнергетика. 1962. №3. - С. 18-20.

49. Терентьев, И.К. Исследование активных ступеней с парциальным подводом рабочей среды // Энергомашиностроение. 1960. -№4. С. 21-23.

50. Терентьев, И.К. Исследование структуры потока в зазоре на краях активной дуги ступени с парциальным подводом // Известия вузов энергетика. 1959. -№11. -С. 94-99.

51. Терентьев, И.К. Потери на трение и вентиляцию рабочих колес турбин// Изв. вузов. Энергетика 1959 - №7. - С. 74-79.

52. Трембовля, В.И. Теплотехнические испытания котельных агрегатов / В.И. Трембовля, Е.Д. Фингер, A.A. Авдеева. М.: Энергия, 1977. - 296 с.

53. Форсайт, Дж. Машинные методы математических вычислений / ,Дж. Форсайт, Малькольм, Моулер К. М.: Мир, 1980. - 280 с.

54. Фролов, B.B. Влияние защитного кожуха на эффективность / В.В. Фролов, Е.А. Игнатьевский //Известия вузов энергетика. 1975-№1. -С. 122-128.

55. Фролов, В.В. О краевых потерях энергии в турбинных ступенях с парциальным впуском / В.В. Фролов, Е.А. Игнатьевский // Теплоэнергетика. 1971. №1. с. 77-79.

56. Фролов, В.В., Влияние защитного кожуха на эффективность В.В. Фролов, Е.А. Игнатьевский //Известия вузов энергетика. 1975-№1- С. 122-128.

57. Хорлокк Дж. X. Осевые турбины. М.: Машиностроение, 1972.-208 с.

58. Шерстюк, А.Н. О влиянии начального пограничного слоя на потери энергии в турбинной решетке / А.Н. Шерстюк, Г.М. Смирнов // Известия вузов энергетика. 1979. - №3. - С. 20-25.

59. Шульман, Ю.И. Исследование вентиляционных потерь в газовых турбина // Силовые установки вертолетов. Оборонгиз 1959.

60. Щегляев, A.B. Паровые турбины. 5-е изд., доп. и подгот. к печати проф. Трояновским. -М.: Энергия, 1976. - 368 с.

61. Хутский, Г.И. Влияние неравномерного водного профиля скоростей на работу турбинной ступени// Аэродинамика проточной части паровых и газовых турбин под ред. И.И. Кирилова. 1958. -С. 173-181.