Расчетно-экспериментальное обоснование повышения энергетических характеристик главных циркуляционных насосов АЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.13, кандидат технических наук Казанцев, Родион Петрович

• Казанцев, Родион Петрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Казанцев, Родион Петрович

Введение

Глава 1. Постановка задачи и выбор объекта исследования

1.1 Анализ существующих конструкций проточных частей

1.2 Постановка задачи

Глава 2. Исследование характеристик течения на выходе из рабочего колеса высокой быстроходности (п5=330), спроектированного на основании метода задания равноскоростного меридионального потока.

2.1 Экспериментальные исследования

2.2 Расчетные исследования

2.2.1 Результаты расчетов гидродинамики проточной части ГЦНА и анализ потерь энергии

2.2.2 Оценка влияния градиента закрутки потока на выходе из рабочего колеса ГЦНА на характеристики течения в цилиндрическом направляющем аппарате

Глава 3. Исследование особенности течения на выходе из рабочего колеса высокой быстроходности (п5=330), спроектированного исходя из принципов согласования углов выходной кромки рабочего колеса и входной кромки направляющего аппарата.

3.1 Экспериментальные исследования

3.2 Расчетные исследования

Глава 4. Модернизация колеса с целью повышения к.п.д. проточной части.

4.1 Экспериментальные исследования

4.2 Расчетные исследования

4.2.1 Методика проведения испытаний по определению энергетических характеристик

4.2.2 Оценка погрешностей измерения параметров насоса

4.3 Результаты испытаний

4.3.1. для исходного варианта проточной части 115 4.3.2 для варианта с "косой" подрезкой лопастей рабочего колеса

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальное обоснование повышения энергетических характеристик главных циркуляционных насосов АЭС»

В соответствии с Федеральной целевой программой «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007.2010гг. и на перспективу до 2015 г.», развитие атомной энергетики является одной из приоритетных задач. Если в настоящий момент на долю атомной энергетики приходится около 16% выработки электроэнергии, то к 2030 году, согласно Федеральной целевой программе, должно быть построено 40 новых энергоблоков. Доля выработки электроэнергии на АЭС России должна к этому времени достичь 25%.

Кроме увеличения количества новых энергоблоков АЭС, данная программа, ставит задачу создания нового проекта блока АЭС, с увеличенной мощностью. На данный момент, из находящихся в эксплуатации в России, самыми мощными являются АЭС с блоками ВВЭР-1000 (АЭС с водо-водяным энергетическим реактором и электрической мощностью 1000 МВт). Новый проект АЭС, получивший название «АЭС-2006» должен иметь электрическую мощность ~ 1150 МВт, при этом в связи со сжатыми сроками, отпущенными на разработку, новый проект АЭС должен быть основан на существующем проекте с минимальными изменениями.

Для обеспечения циркуляции теплоносителя и отвода тепла от реактора на АЭС используются главные циркуляционные насосы (ГЦН). С увеличением мощности реактора увеличивается и объем воды, который необходимо через него прокачать, и как следствие, требуется изменение проточной части ГЦН. Однако, как уже упоминалось, в связи со сжатыми сроками разработки нового проекта «АЭС-2006», было принято решение о необходимости модификации проточной части ГЦН для обеспечения требуемых параметров по расходу и напору, без внесения значительных изменений в ее конструкцию. Дополнительным условием было сохранение комбинированного отвода ГЦН, состоящего из сферического корпуса и направляющего аппарата.

Таким образом, целью данной работы является совершенствование проточной части ГЦН за счет модернизации только рабочего колеса, с целью получения более высоких энергетических характеристик без потери КПД.

Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:

- проведения экспериментальных исследований проточной части ГЦН с двумя типами рабочих колес;

- экспериментальных исследований влияния формы выходной кромки рабочего колеса на энергетические характеристики насоса;

- проведения расчетного анализа параметров потока в проточной части ГЦН и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными;

- разработки рекомендаций по модернизации выходной кромки рабочего колеса, с целью обеспечения требуемых параметров ГЦН.

Заключение диссертации по теме «Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты», Казанцев, Родион Петрович

Выводы:

1. Применение квазитрехмерной модели для расчета гидродинамики проточной части ГЦНА с обеими типами рабочих колес является оправданным и дает хорошее согласование по интегральным характеристикам насоса с экспериментальными данными.

2. Главным фактором более высокого КПД проточной части с использованием нового рабочего колеса является снижение неоднородности потока на выходе из колеса.

3. При использовании направляющего аппарата с цилиндрической формой лопасти на входе целесообразнее использовать рабочее колесо с цилиндрической формой лопасти на выходе, даже для колес высокой быстроходности (п8=330).

4. При использовании колеса с пространственной формой лопасти на выходе, видимо, целесообразнее проектировать направляющий аппарат с пространственной формой лопасти на выходе.

5. Численное исследование гидродинамики проточной части ГЦНА с различными вариантами РК показало, что на выходе из проточной части насоса при практически интересных значениях расхода могут образовываться области отрыва потока вблизи нижнего обода НА. Анализ полученных результатов показал, что энергетические характеристики насоса ГЦНА могут быть повышены.

Глава 4

Модернизация колеса с целью повышения КПД проточной части.

4.1 Расчетный исследования

На основании проведенного расчетного анализа можно сделать вывод, что закрутка потока на выходе из РК имеет достаточно большой градиент вблизи нижнего обода насоса, который приводит к отрыву потока и, как следствие, к повышению циркуляционных потерь энергии. В соответствии с расчетами, приведенными во 2-ой главе, изменение наклона выходной кромки (подрезки) ведет к изменению градиента закрутки. То есть при выходной кромке, расположенной на постоянном диаметре 1035мм, наблюдается наибольший градиент распределения момента окружной скорости (см. рис. 2.23) вдоль выходной кромки и, как следствие, наибольшая зона отрыва потока в направляющем аппарате. При подрезке выходной кромки рабочего колеса с переменным диаметром градиент распределения момента окружной скорости уменьшается (см. рис. 2.45) и, как следствие, зона отрыва потока в направляющем аппарате так же уменьшается.

Согласно предложенной методики оценки влияния градиента распределения закрутки потока по ширине рабочего колеса на характеристики течения в направляющем аппарате (2.26, 2.28) определялось требуемое уменьшение градиента закрутки потока на выходе РК и на основании этого приближенно определялась требуемая "косая" подрезка выходной кромки лопасти РК. При этом диаметр РК по нижнему ободу выбирался равным 1025мм, по верхнему ободу - 925мм, а подрезка выходной кромки РК осуществлялась таким образом, чтобы проекция выходной кромки РК на меридиональную плоскость была прямой линией.

Для подтверждения возможности повышения энергетических характеристик проточной части за счет изменения наклона выходной кромки (подрезки) рабочего колеса были проведены расчетные исследования [27] и модельные испытания.

Результаты расчетов представлены на рис.4.1-4.9 и в таблице 4.1.

Рис.4.1. Распределение меридиональных линий тока в проточной части ГЦНАс "косой" подрезкой РК при подаче СН9950м3/ч (р=5.542м3/с) -9 .2 1 б к

0.тУ>

Рис.4.2. Распределение момента окружной скорости на выходе из РК с косой" подрезкой РК при подаче О=19950м3/ч (0=5.542м3/с) \ к ч

0 5 5 2 5 1 А 1 4 4 4 5 т11>

0 1-1-■-1-,-,-,--,--,--■-1-■-1-,-1-.-,

11 0 1 0 2 0.3 0.« 0.5 0 0 0.7 0 8 0.0

Ят

Рис.4.4. Распределение меридиональных линий тока в проточной части ГЦНА с "косой" подрезкой РК при подаче 0=22040м3/ч (0=6.1112м3/с)

V к

1 ---

• . 5 ■ ■ ,(в ■ 2 5 з'з 4 8 4 » ' 4 'ее е тУ>

1 8

0 8 1 8 2 8 3 б « 5 8 8 в а тЗ/1

Рис.4.6. Распределение момента окружной скорости на выходе из НА с "косой" подрезкой РК при подаче С>=22040м3/ч (0=6.1112м3/с)

Кт

Рис.4.8. Распределение момента окружной скорости на выходе из РК с "косой" подрезкой РК при подаче 0=26910м3/ч (0=7.475м3/с) \

V 0 . ■ I . i 2 8 3 « ч 8 « « i в

С mill

Заключение.

1. Проведен анализ существующих, как зарубежных, так и отечественных конструкций проточных частей Главных Циркуляционных Насосных Агрегатов для АЭС с блоками типа ВВЭР. Показано, что проточная часть ГЦНА отличается от проточной части обычного насоса аналогичной быстроходности. Показано, что для ГЦНА, используемых на АЭС с реакторами типа ВВЭР, актуальной является задача повышения КПД агрегата за счет модификации только лопастной системы рабочего колеса.

2. Проведены экспериментальные исследования двух вариантов проточной части ГЦНА на полномасштабном стенде. Один вариант рабочего колеса был спроектирован в соответствии с теорией построения геометрии лопасти в равноскоростном потоке. Второй вариант рабочего колеса был спроектирован из условия обеспечения безударного натекания потока на входную кромку лопасти и сопряжения выходной кромки колеса с входной кромкой направляющего аппарата. В связи с тем, что направляющий аппарат имел цилиндрическую форму, выходная кромка, второго варианта рабочего колеса, так же имела цилиндрическую форму. Проведенные исследования показали, что:

- увеличение диаметра рабочего колеса приводит к увеличения напора, однако его к.п.д. заметно снижается при увеличении диаметра;

- путем выполнения затыловки рабочего колеса можно добиться увеличения напора с лучшими энергетическими показателями проточной части;

- небольшое изменение диаметра рабочего колеса ГЦНА (в пределах 5%) может приводить к значительному изменению значения гидравлического к.п.д. (до 5%);

- при использовании комбинированного отвода, состоящего из сферического корпуса и направляющего аппарата цилиндрической формы, колесо с цилиндрической формой лопасти на выходе (при быстроходности п5=330) показывает лучшие энергетические показатели, нежели колесо с пространственной формой лопасти, спроектированное на основе метода задания равноскоростного меридионального потока;

- с помощью косой подрезки выходной кромки рабочего колеса можно добиться существенного повышения к.п.д. ГЦНА.

3. Предложена упрощенная методика, позволяющая оценивать возможность меридионального отрыва потока в цилиндрическом направляющем аппарате ГЦНА при известном распределении закрутки потока на выходе из рабочего колеса.

4. Проведен расчетный анализ характеристик потока в проточной части ГЦНА с цилиндрическим направляющим аппаратом. Выполнен расчет энергетических показателей ГЦНА с быстроходностью п5=330: определены отдельные виды потерь энергии - механические, объемные и гидравлические (профильные, ударные, циркуляционные и потери в сферическом отводе). Показано, что:

- применение квазитрехмерной модели для расчета гидродинамики проточной части ГЦНА с различными типами рабочих колес является оправданным и дает хорошее согласование с экспериментальными данными;

- численное исследование гидродинамики проточной части ГЦНА с различными вариантами рабочих колес показало, что в направляющем аппарате могут образовываться области отрыва потока. Наличие указанных зон отрыва потока приводит к снижению гидравлического КПД проточной части насоса, так как направляющий аппарат в этом случае не полностью выполняет свои функции преобразования кинетической энергии потока в потенциальную, и, как следствие, возникают повышенные циркуляционные потери энергии;

- главным фактором более высокого КПД проточной части при использовании колеса с цилиндрической формой лопасти на выходе, является лучшая согласованность выхода рабочего колеса и входа в направляющий аппарат (значительное снижение градиента закрутки потока на выходе из рабочего колеса);

- при использовании колеса с пространственной формой лопасти на выходе, целесообразно проектировать направляющий аппарат с пространственной формой лопасти.

- изменением формы выходной кромки рабочего колеса (подрезка и затыловка) можно добиться уменьшения или ликвидации зоны отрыва потока в направляющем аппарате и, как следствие, увеличения гидравлического КПД проточной части.

5. На основании проведенного расчетного анализа был сделан вывод о необходимости снижения градиента закрутки потока на входе в направляющий аппарат для достижения высоких энергетических показателей ГЦНА с высокой быстроходностью (п5 = 330). На основе этого вывода было сделано предложение по модернизации выходной кромки рабочего колеса с цилиндрической формой лопасти на выходе. Были проведены расчетные исследования предложенного варианта модернизации рабочего колеса, которые показали, что при фактически сохраненной Н-О характеристике потребляемая насосом мощность уменьшается на 70-100 кВт в зависимость от подачи, то есть к.п.д. насоса для данного варианта рабочего колеса увеличивается на 1,31,5%. Проведенные экспериментальные исследования на стенде Санкт-Петербургского Политехнического Университета подтвердили результаты расчетов и показали увеличение КПД на 1% в рабочей точке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Казанцев, Родион Петрович, 2011 год

1. Башта Т.М., Руднев С.С. и др. Гидравлика, гидравлические машины и гидравлические приводы - М.Машиностроение, 1970г., 504с.

2. Бирюков А.И., Ворона П.Н., Смирнов B.C. О выборе проточной части главного циркуляционного насоса для блока АЭС. // Химическое и нефтяное машиностроение, 1980, №8, с. 5-7.

3. Будов В.М., Бабин В.А., Лосев В.И. Влияние запиловки лопастей рабочего колеса на характеристику центробежного насоса. // Энергомашиностроение, 1973, /V 7.

4. Будов В.М. Насосы АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1986, 408с.

5. Викторов Г.В. Гидродинамическая теория решеток. М.: Высшая школа, 1969, 368с.

6. Ворона П.Н. Разработка Главного Циркуляционного Насоса ГЦН-20000// Дис. . д-ра техн. Наук, 1980. 306 с.

7. Ворона П.Н., Смирнов B.C. О согласовании лопаточного отвода с рабочим колесом в главных циркуляционных насосах АЭС. // Изв. ВУЗов СССР, Энергетика, 1980., №7, с. 72-75.

8. Горгиджанян С.А., Иванов В.Г. Структура потока в направляющих каналах радиального лопаточного отводацентробежного насоса. // Известия вузов, Энергетика, 1981, №6, с. 87-92.

9. Ю.Горгиджанян С.А., Гусин Н.В. Расчет и проектирование радиальных лопаточных отводов центробежных насосов высокой быстроходности. // Труды ЛПИ. JL: "Машиностроение", 1972. -№323. -С. 114-121.

10. ГОСТ 6134-2007. Насосы динамические. Методы испытаний.

11. Грянко Л.П., Экспериментальное исследование влияния взаимного положения профилей лопасти на структуру потока в круге циркуляции гидротрансформатора с центробежной турбиной. // Труды ЛПИ, №215, 1961, с.183-195.

12. Грянко Л.П., Зубарев Н.И., Умов В.А., Шумилин С.А. Обратимые гидромашины Л.: Машиностроение, 1981, 268с.

13. Грянко Л.П., Папир А.Н. Лопастные насосы Л.:Машиностроение, 1975. 432с.

14. Грянко Л.П., Пылев И.М. К выбору основных гидродинамических и геометрических параметров проточной части гидромашины // Изв. Вузов, Энергетика, 1979, №11, с.80-84.

15. Ден Г.Н. Механика потока в центробежных компрессорах. Л.: Машиностроение, 1973, 272с.

16. Елин A.B., Ольштынский П.Л., Твердохлеб И.Б. Задача обеспечения требуемой формы напорной характеристикилопастных насосов пути и методы решения. // Вестник Сум ГУ. Серия: Технические науки - 2007. - №. 1. - С. 23-27.

17. Жарковский A.A. Математическое моделирование рабочих процессов в центробежных насосах низкой и средней быстроходности для решения задач автоматизированного проектирования // Дис. д-ра техн. Наук, СПбГПУ, СПб, 2003. 568с.

18. Жуковский М.И. Расчет обтекания решеток профилей турбомашин M.-JL: Машгиз, 1960, 260с.

19. Жуковский М.И., Казачков Л.Я., Топаж Г.И. Квазитрехмерная задача расчета потока в гидромашине с учетом конечного числа лопастей конечной толщины // Проблемы машиностроения. Вып. 13, 1981, с.73-79.

20. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. -М.Машиностроение, 1975г., 504с.

21. Казанцев Р.П. Разработка опорных вариантов проточной части главного циркуляционного насоса атомного энергоблока ВВЭР-1000. // Дис. на соискание ученой степени магистра СПбГПУ, СПб, 1999г. 568с.

22. Казанцев Р.П., Климович В.И. Анализ вариантов проточной части на примере главного циркуляционного насоса атомного энергоблока ВВЭР-1000//Научно технические ведомости СПбГПУ, 2010г., с. 148-155.

23. Климович В.И. Квазитрехмерная и осесимметричная задачи теории гидромашин и некоторые их приложения для исследования течений в проточных частях гидроагрегатах.// Автореферат на соискание ученой степени д-ра ф из.-мат, СПб. 1993.

24. Климович В.И. Квазитрехмерный расчет течений жидкости в проточных частях гидромашин.// Изв. АН СССР, МЖГ, 1991, №2

25. Климович В.И. Численное решение прямых осесимметричных и квазитрехмерных задач теории гидромашин. Труды международной конференции Гидротурбо-89. Брно. 1989, с.55-64.

26. Климович В.И., Казанцев Р.П. Расчетные исследования параметров потока в проточной части главного циркуляционного насоса ГЦНА-1391 для АЭС с блоками ВВЭР-1000// Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, том 252, С-Пб, 2008г.с.127-134.

27. Климович В.И., Казанцев Р.П. Расчет энергетических характеристик главного циркуляционного насоса дляэнергоблоков ВВЭР-1000//Научно технические ведомости СПбГПУ, 2010г., с. 138-143.

28. Кочевский А.Н., Неня В.Г. Современный подход к моделированию и расчету течений жидкости в лопастных гидромашинах // Вестник СумГУ. Сумы, 2003. - №13 (59). - С. 195.

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

30. Ломакин A.A. Центробежные и осевые насосы. М., Машгиз, 1960, 263с.

31. Лопастные насосы: Справочник/В. А. Зимницкий, А. В. Каплун, А. Н. Папир, В. А. Умов; Под общ. ред. В. А. Зимницкого и В. А. Умова. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986. — 334 с.

32. Марцинковский В.А., Ворона П.Н. Насосы атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1987, 256с.

33. Митенков Ф.М., Новинский Э.Г., Будов В.М. Главные циркуляционные насоса АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1990. с. 193

34. Михайлов А.К, Малюшенко В.В. Лопастные насосы. Теория, расчет и конструирование. М.: "Машиностроение", 1977, 288 с.

35. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971г. -303с.

36. Насосы АЭС: Справочное пособие/ П.Н. Пак, А.Я. Белоусов, А.И. Тимшин и др; под общ. ред. П.Н. Пака. М.: Энергоатомиздат, 1989.- 328 с

37. Папир А.Н. Водометные движители малых судов. Л.: Судостроение 1970г., 254с.

38. Патент RU (11) 2280194 (13)С1. Насосный Агрегат.// Казанцев Р.П., Медведев Л.Ф., Паутов Ю.М., Семеновых A.C., Щуцкий С.Ю. -Опубликовано: 2006.07.20

39. Патент RU (11) 2293884 (13)С1. Узел крепления рабочего колеса на валу.// Казанцев Р.П., Комаров A.C., Паутов Ю.М.; Ремизов М.А. -Опубликовано: 2007.02.20

40. Патент RU (11) 2274509 (13)С2 Способ изготовления рабочего колеса центробежного насоса.// Герасимов B.C., Еремин В.Ю., Казанцев Р.П., Никифоров С.А., Орлов Д.В., Паутов Ю.М., Посашков С. Г. Опубликовано: 2006.04.20.

41. Отчет о научно-исследовательской работе: Разработка оптимальной лопастной системы и модельные исследования проточной части главного циркуляционного насоса для АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. Руководитель Л.П. Грянко. Л., ЛГТУ, 1991, 81с.

42. Отчет о НИР по теме 3245, т.1. Текст, т.2. Рисунки Л., 1981, № гос. Регистрации 78012690, инв№02830000763

43. Отчет по результатам квалификационных испытаний Главного циркуляционного насосного агрегата ГЦНА-1391, 1391-00-00020ТЗ// ЦКБМ. 2003 - 84с.

44. Пфлейдер К. Лопаточные машины для жидкостей и газов. М.: Машгиз. 1960

45. Программа и методика квалификационных испытаний главного циркуляционного насосного агрегата ГЦНА-1391, 1391-00-0002ПМ1ЭК// ЦКБМ 2000 - 33с.

46. Раухман Б.С. Прямая задача обтекания двумерной решетки профилей. // Труды НПО ЦКТИ им. И.И. Ползунова, 1965, вып. 61 с.26-39.

47. Рубинов В .Я., Покровский Б.В., Зотов Б.Н. О влиянии соотношения чисел лопаток рабочего колеса и отводящего устройства центробежного насоса на его вибрацию и шум. // Сборник трудов МВТУ, 1973. №171. - С. 68-85.

48. Руднев С.С. Расчет отводящих устройств центробежных насосов -М.: 1967., 47с.

49. Синев Н.М., Удовиченко П.М. Бессальниковые водяные насосы. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1972. 494 с.

50. Смирнов B.C. Разработка и исследование комбинированного отвода главных циркуляционных насосов для энергетических блоков АЭС. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Сумы 1982г., 173с.

51. Степанов А.И. Центробежные и осевые насосы. М.:Машгиз, 1960,483с.

52. Степанов Г.Ю. Гидродинамика решеток турбомашин. М.: Физматгиз, 1962, 512с.

53. Топаж Г.И. Развитие квазитрехмерной модели течения жидкости и разработка на ее основе новых методов проектированиярабочих колес реактивных гидромашин и расчета их гидравлических показателей. // Дис. . д-ра техн. Наук. JL, 1990,291с.

54. Топаж Г.И. Расчет интегральных гидравлических показателей гидромашин. Д.: Издательство Ленинградского университета, 1989, 208с.

55. Шкарбуль С.Н., Жарковский А.А. Гидродинамика потока в рабочих колесах центробежных турбомашин. Учеб. Пособие. СПб., Изд-во СПбГТУ, 1996., 356с.

56. Этинберг И.Э., Раухман Б.С. Гидродинамика гидравлических турбин. Л.: Машиностроение, 1978.

57. Lobanoff V., Ross R., Centrifugal Pumps, Design and Application -2nd edition, 1992.