Разработка и исследование путей повышения экономичности цилиндров низкого давления конденсационных паровых турбин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.12, кандидат технических наук Юрик, Елена Алексеевна

• Юрик, Елена Алексеевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юрик, Елена Алексеевна

Введение.

1 Краткий обзор литературных данных по предмету проводимых исследований. %.

1.1 Предмет исследований.

1.1.1 Влияние геометрических параметров проточной части паровпускного патрубка ЦНД на его экономичность.

1.1.2 Влияние отборов на структуру потока и экономичность турбин с отбором пара из проточной части.

1.2 Задачи исследований.

2 Описание экспериментальных установок, методика испытаний, оценка погрешностей измерений.

2.1 Описание экспериментальных установок.

2.1.1 Описание экспериментальной установки для исследования входного патрубка совместно с сопловым аппаратом.

2.1.2 Описание экспериментальной установки для исследования отбора пара из проточной части паровой турбины.

2.2 Средства измерений, используемые при модельных исследованиях.;.

2.3 Методики обработки результатов испытаний. Расходный метод оценки коэффициента потерь энергии.

2.3.1 Методика обработки опытных данных, полученных при исследовании входного патрубка.

2.3.2 Методика обработки опытных данных, полученных при исследовании влияния отбора пара на экономичность соплового аппарата.

2.4 Оценка погрешности результатов исследований.

2.4.1 Коэффициент суммарных потерь энергии в экспериментальной установке.

2.4.2 Коэффициент полных потерь в патрубке.

3 Экспериментальное исследование входного патрубка совместно с сопловым аппаратом.

4 Исследование влияния отборов на течение рабочего тела в околоотборном отсеке и отборном тракте.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование путей повышения экономичности цилиндров низкого давления конденсационных паровых турбин»

Актуальность работы. В условиях нарастающего дефицита электроэнергии при массовом старении установленного на электростанциях основного оборудования проблема повышения экономических показателей уже работающих турбоустановок приобретает особую актуальность.

Рассматривая возможность повышения внутреннего относительного КПД мощных энергетических турбин, в первую очередь следует обратить внимание на цилиндр низкого давления (ЦНД), поскольку именно здесь имеются ещё достаточно большие неиспользованные резервы повышения экономичности этой части паровой турбины.

Наличие в проточной части, турбины регенеративных отборов, осуществляемых при малых осевых расстояниях между ступенями, является причиной нарушения осевой симметрии течения пара. Изменение давления торможения пара в окружном направлении ведет к окружному изменению располагаемых теплоперепадов ступени. В результате лопаточный аппарат такой ступени всегда работает при неоптимальных локальных значениях основного кинематического параметра Ха~и/Сф. При больших нарушениях симметрии экономичность ступени может снизиться на несколько процентов. При этом возникают неуравновешенные поперечные силы, способные привести к развитию низкочастотной вибрации ротора.

Наряду с потерями в проточной части большие потери энергии имеются во входном и выходном патрубках.

Если вопросам совершенствования выхлопных патрубков посвящено достаточного много работ, то исследованию входных патрубков ЦНД уделялось существенно меньше внимания, хотя сама проблема рациональной организации подвода пара к первым ступеням двухпоточных ЦНД с практической точки зрения не менее важна, чем проблема совершенствования выхлопных патрубков.

Суть проблемы состоит в том, что при очень малых осевых размерах и дискретном подводе пара к входному патрубку ЦНД перед первой ступенью ЦНД возникает очень сильная окружная и радиальная неравномерность входных полей скоростей, которая сохраняется и на выходе из соплового аппарата. Указанное обстоятельство ведет к снижению экономичности не только первой, но и последующих ступеней ЦНД.

Поиску решения обозначенных проблем и посвящена настоящая работа.

Объект исследования. Объектами исследования являются: входной патрубок ЦНД совместно с сопловым аппаратом первой ступени; система отбора пара из проточной части ЦНД.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является: исследование влияния входной окружной неравномерности, обусловленной отбором рабочей среды через кольцевую щель, на потери энергии и неравномерность среды за последующим сопловым аппаратом; исследование влияния неравномерности потока перед входом в сопловой аппарат первой ступени ЦНД, обусловленной дискретным подводом пара во входной патрубок, где поток разворачивается в обе стороны на 90°; исследование способов снижения потерь энергии в системе отбора пара из проточной части ЦНД и подвода пара к первой ступени ЦНД.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: определить степень влияния дискретного подвода рабочей среды к первой ступени ЦНД на характеристики соплового аппарата этой ступени турбины; определить влияние регенеративных отборов пара на характер течения в сопловом аппарате послеотборной ступени; разработать и исследовать способы выравнивания окружной неравномерности параметров потока и полей скоростей перед первой ступенью ЦНД и перед послеотборными ступенями; на основе проведенных исследований разработать конструктивную схему входного патрубка ЦНД, позволяющую до минимума свести отрицательное влияние дискретного подвода пара к первой ступени рассматриваемого цилиндра.

Методы исследований и достоверность полученных результатов. При выполнении работы широко использовались общепризнанные и отработанные методы проведения экспериментов.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась применением современной измерительной техники, повторяемостью опытных данных и хорошим совпадением результатов модельных исследований с опубликованными данными натурных исследований.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- предложены и исследованы модели входных патрубков ЦНД, использование которых позволило на 60% снизить окружную неравномерность потока и одновременно снизить потери энергии в сопловой решетке на 1,2% и пульсации давления на 12-48% от начального давления рабочей среды;

- предложена и испытана новая схема организации нерегулируемых отборов пара через диффузорную кольцевую щель, использование которой позволяет снизить сопротивление в линии отбора рабочей среды, до минимума сократить нарушение осевой симметрии течения и, таким образом, исключить влияние нерегулируемых отборов пара на КПД послеотборной ступени.

Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты имеют важное практическое значение, так как разработанные схемы профилированного входного патрубка ЦНД и новая организация отбора рабочей среды через осерадиальную кольцевую щель при минимальных затратах могут быть использованы для повышения экономичности и надежности ЦНД.

Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные схемы профилированного входного патрубка ЦНД и схема отбора пара из ЦНД через диффузорный кольцевой канал переданы на ЛМЗ для использования при проектировании новых турбин.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались и докладывались на:

- 15-ой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". - М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г.

- газодинамическом семинаре кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 18 ноября 2009 г.;

- заседании кафедры Паровых и газовых турбин МЭИ. - М.: МЭИ, 24 ноября 2009 г.

Публикации.

1. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н., Фичоряк О.М., Носков В.В., Шебашова Е.А. О влиянии регенеративных отборов пара на характер течения в послеотборных сопловых решетках. Тяжелое машиностроение. №12. 2009. С. 2-6.

2. Зарянкин А.Е., Зарянкин В.А., Шебашова Е.А., Арианов C.B. Новый двухъярусный цилиндр низкого давления для сверхмощных паровых турбин. Тяжелое машиностроение. №7. 2008. С. 2^-5.

3. Зарянкин А.Е., Шебашова Е.А. Новый двухъярусный цилиндр низкого давления для сверхмощных паровых турбин // Тезисы докладов пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Том 3. - М.: МЭИ, 26 - 27 февраля 2009 г., с. 268-269.

Автор защищает:

- результаты экспериментального исследования входного патрубка ЦВД;

- результаты экспериментального исследования новой организации регенеративного отбора из проточной части ЦНД.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения по работе, списка используемой литературы, включающего 43 наименования. Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, иллюстрируется 61 рисунком на 55 страницах, список литературы, изложенный на 5 страницах, и содержит 5 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Турбомашины и комбинированные турбоустановки», Юрик, Елена Алексеевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенные исследования показали, что окружная неравномерность параметров потока перед сопловым аппаратом турбинной ступени ведет к заметному увеличению потерь энергии и не исчезает после прохождения конфузорных межлопаточных каналов, что не только снижает экономичность ступени, но и является источником появления неуравновешенных сил непосредственно на рабочем колесе.

2. В результате исследований различных вариантов организации течения во входном патрубке ЦНД окружная неравномерность параметров потока перед первой ступенью была снижена на 60%, пульсации давления перед сопловым аппаратом снизились с 30% от начального давления рабочей среды до 12%, а потери энергии в лопаточном аппарате уменьшились на 1,2%.

3. Существующая система организации отбора пара из проточной части турбины на регенеративные подогреватели через радиальную щель имеет очень высокое гидравлическое сопротивление, величина которого сильно зависит от продольной (осевой) скорости са пара, и при са= 60-80 м/с коэффициент сопротивления отборной щели достигает значения, равного 5-6%. При этом на угловой координате, соответствующей расположению отводящего паропровода, максимальное снижение давления полного торможения перед сопловым аппаратом достигает 7%.

4. Разработана и исследована новая схема организации отбора пара на регенеративные подогреватели через периферийный осерадиальный канал, воспринимающий надбандажную протечку пара над рабочим колесом, лопатки которого установлены с отрицательной перекрышей относительно лопаток соплового аппарата.

В результате почти в 2 раз снизился коэффициент сопротивления в линии отбора, и практически исключилось влияние регенеративного отбора пара на поле скоростей перед сопловым аппаратом послеотборной ступени.

• . 126 . *'';' :

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юрик, Елена Алексеевна, 2009 год

1. А.С. 193838 СССР, МКИ В 23 39/00. Радиально-осевая турбинная ступень./А.Г. Поповьян; Г.И. Иванов. 3 е., илл.

2. А.С.343066 СССР. МКИ Б01025/30.; Камера отбора турбомашины / , И.Г. Гоголев, Р.И. Дьяков, Р.В. Кузьмичев, А.И. Алексо // Открытия, изобретения. 1972, №20:

3. А.С.406026 СССР. МКИ БО1025/30. Камера отбора турбомашины / И.Г. Гоголев, Р.И. Дьяков, Р.В;- Кузьмичев, А.И. Алексо // Открытия, изобретения. 1973, №43.= '

4. А.С. 1262065 СССР. МКИ Г01025/30. Камера отбора паровой турбины/ А.Е. Зарянкин, А.Н. Парамонов и др.7/ Открытия, изобретения. 1986, №37. '

5. А С.1359439 'СССР. МКИ Г01Е>25/30. Камера отбора паровой турбины/ А.Е. Зарянкин, В.Е. Каращук, В.Г. Грибин и А.Н. Парамонов // Открытия, изобретения. 1987, №46.

6. А.С. 1483052 СССР. МКИ Р01025/30. Камера отбора паровой турбины/ А.Е. Зарянкин, В.Г. Грибин, В.Е. Каращук, К.Я. Макаров и А.Н. Парамонов//Открытия, изобретения. 1989; №20.;

7. Александров К.К. Исследование характеристик двухпоточных радиально-осевых турбинных ступеней при различных геометрических и режимных параметрах: Авторефдисс.канд.техн.наук. М., МЭИ, 1974. -21 с.

8. Аэродинамические и вибрационные, исследования отсека низкого давления турбины с отборами пара / Т.М. Зильбер, Ю.Ф.Косяк, В.Н. Галацан и др. // Теплоэнергетика, 1987, №8, с. 14-18.

9. Биржаков М.Е., Литйнецкий В.В. Радиально-осевые ступени мощных паровых турбин. Л.: Машиностроение.' 1983.219с.

10. Влияние кольцевой щели на'входе. на работу турбинной ступени с резким раскрытием проточной части / Я.И. Шнее, М.С. Звоницкий, В.Н. Пономарев и др. // Теплоэнергетика-,>1968^ №11, с.40-42.

11. Влияние регенеративного отбора пара на экономичность ступеней низкого давления паровых турбин / Л.Л.Симою, В.П. Лагун, Ю.В. Наман и др. // Теплоэнергетика, 1977, №2, с.36-39.

12. Гоголев И.Г. Аэродинамическое исследование входного патрубка газовой турбины. Изв. Вузов. Энергетика, 1959, №11, с. 100-107.г

13. Грибин В.Г. Разработка методов воздействия на режим течения и потери энергии в каналах комбинированных турбоустановок. Автореф. дисс. на соискание ученой степени док.техн.наук. Москва, 2002. 20 с.

14. Гродзинский В.Л., Фролов В.И., Клубань Е.С. Влияние формы щели отбора на окружную неравномерность параметров в проточной части // Энергетическое машиностроение, 1987, №43, с.7-11.

15. Дарчиев Д.Г. Исследование двухпоточных радиально-осевых турбинных ступеней (ДРОС): Автореф.дисс.канд.техн.наук. М., МЭИ, 1979. 20 с. '

16. Двухпоточные радиально-осевые ступени для мощных паровых турбин./ Александров К.К., Фролов В.В.// М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ ("Энергетическое оборудование"). 1975. № 3.

17. Жилинский В.П. Исследование выхлопных патрубков паровых турбин при околозвуковых скоростях на входе: Автореф. дисс! . .канд.техн.наук. — М., 1978. 20.

18. Зарянкин А.Е., Парамонов А.Н. Влияние промежуточных отборов пара на характеристики околоотборных ступеней // Энергомашиностроение, 1989, №7, с.

19. Зацепин М.Ф. Исследование элементов проточной части центростремительных турбин: Дисс. канд.техн.наук М. МЭИ. 1961. 223 с.

20. Исследование и разработка двухпоточных радиально-осевых ступеней мощных паровых турбин. Отчёт по НИР. Ч.2./Рук. темы Лазарев Л.Я.//МЭИ. 1980. № гос. регистрации-77016713.

21. Исследование конструкций двухпоточных радиально-осевых ступеней турбин./ Кириллов И.Й., Биржаков М.Б., Сорокин H.A., Литенецкий В.В./ М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ ("Энергетическое оборудование"). 1979. №6.

22. Исследование полей давлений в камерах ступеней регенеративных отборов паровой турбины / А.Г. Прокопенко, A.B. Лазаренко, A.C. Пилийчук и др. // Теплоэнергетика, 1969, №5, с.41-42.

23. Лапин Н.В:, Марченко Ю.А. Организация отборов пара в проточной части и их влияние на экономичность ступеней // Тр. ЦКТИ, 1981, №184, с. 106-112.с

24. Лаптева З.А., Таушканова В.Б. Испытания входных патрубков турбин и осевых компрессоров. В.кн.: Исследование элементов паровых и газовых турбин и осевых компрессоров. -М. - Л.: Машгиз, 1960, с. 107-116.

25. Мидзумати Н. Исследование радиальных газовых турбин. Машгиз. 1961. 278 с.

26. Модульная серия паровых турбин фирмы ABB с промперегревом. / Фирменный проспект. 1998. 1

27. Никитин A.A., Селезнев К.П., Шкарбуль С.Н. Исследование входных патрубков центробежных компрессоров. Энергомашиностроение, 1966, №9, с.26-29.

28. Орлов И.И. Продувка моделей входного патрубка осевого компрессора. Вестник машиностроения, 1954, № 6, с. 12-15.

29. Парамонов А.Н. Разработка и исследование систем нерегулируемых отборов турбин ТЭС и АЭС. Автореферат дис. канд. техн. наук, М., 1990.

30. Первая ступень двухпоточной паровой турбины. Швейцарский патент, кл-F 01 d 3/02, F 01 d 9/02, № 545414 с приоритетом от 31.10.72 г.

31. Поповьян А.Г. Разработка и исследование двухпоточной радиально-осевой ступени (ДРОС) и некоторые вопросы её проектирования и применения. Автореф.дисс. канд.техн.наук. М., 1979. - 20 с.

32. Распределение газодинамических параметров потока в модели камеры регенеративного отбора турбины / В.Н. Голощапов, В.А. Барсуков, В.А. мацренко и др. // Энергетическое машиностроение, 1978, №25, с.56-60.

33. Результаты исследования тракта отбора паровой турбины на статической установке/ Л.А. Зарубин, В.П. Орловский, В.Н. Галицын и др. // Энергетическое машиностроение, 1986, №23, с.52-57.

34. Розенберг Г.Ш. Судовые центростремительные газовые турбины. Судостроение. 1964. 205 с.

35. Рохлин В.Е., Бакурадзе М.В. Проектно-расчетное исследование проточной части с разделением и поворотом потока для быстроходных турбоагрегатов. Труды ЦКТИ Выпуск 192, с. 46-51.

36. Турбины тепловых и атомных электрических станций. Под редакцией Костюка А.Г. и Фролова В.В. Издательство МЭИ, 2001.

37. Тюфяков Й.И. Исследование аэродинамических характеристик выхлопных патрубков при нерасчетных режимах работы турбинной ступени. Автореф.дис. . канд.техн.наук. М., 1978. - 20 с.

38. Фадеев В.А. Характеристики осевой турбинной ступени с радиальным сопловым аппаратом при полном и частичном подводе рабочего тела: Автореф.дис.канд.техн.наук. М. МЭИ. 1992. 18 с.

39. Фичоряк О.М. Исследование и разработка способов повышения эффективности работы мощных теплофикационных турбин: Автореф.дис. . канд.техн.наук. М., 2007. - 20 с.

40. Чижов В.В. Экспериментальное исследование проточной части диагональной турбины с безлопаточным направляющим аппаратом: Дисс.канд.техн.наук. М. 1979. 177 с.

41. Шерстюк А.Н. Расчет течений в элементах турбомашин. М.: Машиностроение, 1968. - 187 с.

42. Шерстюк А.Н., Динеев Ю.Н., Симонов/В.И. О влиянии и формы сечения улитки на параметры потока перед сопловым аппаратом. Труды НАМИ, 1972, вып. 134, с. 20-25.

43. Шерстюк А.Н., Зарянкин А.Е. Радиально-осевые турбины малой мощности. М.: Машиностроение, 1976. 208 с.

44. Штрейнберг A.C. Гидравлическое сопротивление тангенциальной камеры сгорания и газосборника газотурбинного двигателя с радиальной турбиной. Автомобильная'промышленность, 1966, №2, с. 6-10.

45. Экспериментальное исследование сопловой решетки с входным патрубком-улиткой. И.Г. Гоголев, П.В. Королев, Ю.Д. Кудашев и др. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1978, № 4, с. 166-170.

46. Albring W. Probleme bei der Gestaltung verlustarmer Gehäuze von Stromungmaschinen. Zeitschrift der Technische Hochschüle Dresden, 1965, №5.

47. Butikofen J., Wieland U. Modern Niederdruck-Dampfturbinen// VGB Kraft-werkstechnik. 1991. № 4. S. 341-345.

48. Japikse D. Review Progress in Numerical Turbomachinery Analysis/ -Trans, of ASME, ser. D, 1976, № 4, pp. 98-115.