Совершенствование выходных патрубков мощных паровых турбин на основе вариантных расчетов трехмерного течения

Проектирование выходного патрубка (ВП) мощной паровой турбинывесьма сложный процесс. Основное влияние здесь оказывают традиции, сложившиеся при совершенствования конструкции, и прогресс в понимании газодинамических процессов.

Для проектирования ВП имеются обширные экспериментальные данные, полученные на воздушных стендах. При этом наблюдается явный недостаток результатов испытаний как на натурных паровых стендах, так и в заводских условиях. Исследованиями газодинамики ВП паровых турбин занимается много отечественных и зарубежных организации. Однако, несмотря на интерес к совершенствованию ВП со стороны турбинных заводов и научно-исследовательских институтов, не существует единых рекомендаций по расчету и проектированию ВП: каждый новый патрубок проектируется индивидуально.

В 1977 г. Министерство энергетического машиностроения СССР ввело руководящий технический материал РТМ 108.020.12−77 [72], содержащий рекомендации для эскизного проектирования ЦНД паровых турбин. В его разработке приняли участие ЦКТИ, МЭИ, ЛМЗ и ХТГЗ. Документ распространяется на стационарные энергетические паровые турбины независимо от их назначения и мощности, определяет выбор газодинамической схемы патрубка, профилирование осерадиальных диффузоров и патрубков с осерадиальными и кольцевыми диффузорами, бездиффузорных патрубков и патрубков с боковым выходом. В нем оценивается влияние входных условий на работу диффузоров и патрубков, приведены геометрические соотношения для ВП мощных отечественных турбин, даны рекомендации по управлению пограничным слоем. Однако РТМ не содержит комплекта сведений, позволяющих спроектировать исходный вариант ВП.

К настоящему времени опубликовано много исследований патрубков как паровых, так и газовых турбин, проведены обобщения экспериментальных данных. Результаты многолетних исследований ВП были обобщены в работах отечественных и зарубежных ученых (Идельчик И.Е., Дорфман А. Ш., Сайковский М. И., Дейч М. Е., Зарянкин А. Е., Мигай В. К., Гудков Э. И., Касилов В. Ф., Дыс-кин JIM., Kruckels J., Merz R., Mayer J.E., Stetter H., Zimmermann С. и др.). Есть попытки разработать универсальные критерии для оценки совершенства ВП. Наиболее известным является вошедший в РТМ 108.020.12−77 [72] параметр -«время заполнения патрубка» тп = v? g v, который определяет время, необходимое для прохождения через патрубок объема газа, численно равного свободному объему патрубка. В документе приведена зависимость максимума полных потерь в конденсационных паровых турбинах с подвальным расположением конденсатора от времени заполнения патрубка.

Опубликованные данные лабораторных исследований дают представление о картине течения в ВП. Однако, как показали натурные эксперименты, данные об эффективности ВП, полученные на статических модельных стендах, существенно, а иногда радикально, отличаются от результатов испытаний ЦНД действующих турбин. Основной причиной являются радиальная и окружная неравномерности параметров на входе в ВП, которые существенно влияют на экономичность и надежность турбин. В экспериментальной модели сложно учесть взаимное влияние элементов ВП. В свою очередь при натурных испытаниях получить достоверное распределение газодинамических параметров в ВП долго, сложно и дорого.

Многие исследователи пытались создать собственные методы проектирования в рамках одномерной модели. Например, в программе «DZITA» [88] внутренние потери в исходном диффузоре определяются путем численного интегрирования потерь по всем участкам. При этом оценка потерь на каждом участке производится по локальному углу раскрытия эквивалентного конического диффузора. На входе каждого последующего участка задаются граничные условия, полученные из расчета предыдущего. Подобные программы нацелены на определенный тип ВП, к которому жестко привязаны различными поправочными коэффициентами.

Опубликованные методы одномерного проектирования ВП базируются, в основном, на материалах, изложенных либо в упомянутом выше РТМ, либо в монографиях М. Е. Дейча, А. Е. Зарянкина [24], В. К. Мигая и Э. И. Гудкова [60], содержащих Многочисленные и весьма полезные для конструктора экспериментальные данные и их обобщения. Вместе с тем в последние годы выполнено большое количество испытаний натурных ЦНД мощных паровых турбин и численных расчетов пространственного течения пара в них.

Прогресс в численном моделировании трехмерных течений вязкого газа позволил не только анализировать газодинамику патрубка, но и проследить взаимное влияние элементов конструкции, не прибегая к сложным и дорогостоящим испытаниям. Делаются небезуспешные попытки заменить физическое моделирование вычислительным экспериментом. Созданы и развиваются коммерческие пакеты прикладных программ для решения широкого класса задач математической физики: FLUENT, CFX, STAR-CD, FINE (NUMECA), CFD-ACE и др. В основном они базируются на блочно-структурированных сетках, но для задач, в решении которых накоплен опыт, возможно применение и неструктурированных сеток. При этом самым популярным для газодинамических расчетов методом дискретизации на сегодняшний день является метод конечных объемов (МКО). Постоянно развивающиеся модели турбулентности, горения, многофазных течений и течений со свободными границами, а также подвижные (деформируемые) и перестраиваемые сетки, значительно расширяют область применения этих программ. Адаптация расчетной сетки позволяет получить достоверное решение для областей с большими градиентами потока с подробным разрешением пограничных слоев. Удается значительно сократить время на построение качественной сетки, решение численной задачи и обработку результатов. Постпроцессор подобных программ отображает как результаты расчета, так и траектории частиц жидкости, в том числе и для нестационарных течений. Вычислительный эксперимент, позволяет не только правильно осмыслить наблюдаемые физические эффекты, но и во многих случаях заменить физический или натурный эксперимент более дешевым компьютерным моделированием, которое часто оказывается единственно доступным.

Появившаяся в связи с развитием вычислительной газодинамики перспектива проектирования высокоэффективных ВП оправдывает пересмотр методики проектирования ВП с целью ее усовершенствования.

Актуальность работы. Современное состояние паротурбинного оборудования, работающего на электростанциях России, характеризуется значительным физическим и моральным износом. По данным РАО «ЕЭС России» изношенность достигает 60%, при этом основной парк составляют турбины, изготовленные в 60.70 гг. прошлого века, часть из которых можно сохранить в эксплуатации, подвергнув модернизации. Улучшить экономические показатели модернизируемого и вновь изготавливаемого паротурбинного оборудования можно, в частности, за счет снижения потерь кинетической энергии потока, выходящего из последней ступени. Для этого необходимо повысить качество проектирования выходного патрубка (ВП) паровой турбины, подкрепляя проектные решения результатами достоверных расчетов структуры пространственного течения в патрубке.

Коэффициент полных потерь ВП для мощных паровых турбин обычно составляет =1,1. 1,5. Потери на участке «последняя ступень — выход из ВП» могут достигать 45.60 кДж/кг. Для турбины К-300−240 ЛМЗ с длиной последней лопатки 960 мм, например, располагаемый перепад энтальпий на последнюю ступень равен 225.250 кДж/кг, потери в выходном патрубке — 45.60 кДж/кг, потери с выходной скоростью — 30.40 кДж/кг. Снижение коэффициента потерь на величину 0,2 дает экономию в 3,6.5,4% от мощности последней ступени (АЫу = 1,0. 1,8 МВт).

Цель и задачи работы. Цель работы — показать возможность создания высокоэффективных ВП паровых турбин, в том числе и в значительно стесненных габаритных размерах. Для этого необходимо решить следующие задачи: • проанализировать существующие конструкции ВП;

• провести ревизию существующих одномерных методов расчета на предмет их соответствия результатам опубликованных к настоящему времени исследований с целью уверенного проектирования исходного варианта ВП;

• выбрать и верифицировать наиболее подходящие для ВП структуру расчетной сетки и опции расчета трехмерного течения;

• разработать методику применения вариантных расчетов трехмерных течений в ВП с целью повышения эффективности исходного варианта;

• выполнить пример проектирования ВП с помощью предлагаемого метода.

Предметом исследования является способ проектирования ВП мощных паровых турбин. Разработанный в результате исследований способ позволяет уверенно проектировать ВП с проточной частью повышенной аэродинамической эффективности.

Метод исследования — расчетно-теоретический с применением, как одномерной методики аэродинамического расчета, так и с постановкой расчетов трехмерных турбулентных течений в ВП на базе пакета прикладных программ ANS YS CFX-11. Результаты расчетов тестированы путем сравнения с опубликованными данными натурных и лабораторных экспериментов.

Научная новизна работы:

• разработана обновленная по результатам анализа опубликованных экспериментальных данных методика одномерного проектного расчета исходного варианта ВП мощной паровой турбины;

• сформулированы рекомендации по выбору совокупности вычислительных опций, обеспечивающих приемлемую для инженерных целей точность расчета пространственной структуры течения и потерь в выходном патрубке.

• верифицирована методика проведения вариантных расчетов трехмерного турбулентного течения в патрубке, предназначенная для корректировки формы его проточной части с целью повышения аэродинамической эффективности;

Достоверность полученных результатов подтверждена их соответствием данным опубликованных опытов и результатам верификационных расчетов поставленных автором при выполнении работы.

Практическая ценность работы. Разработанная в диссертационной работе методика позволяет уверенно проектировать ВП мощных паровых турбин с меньшими, чем в традиционных конструкциях, потерями. Применение спроектированных по предложенной методике патрубков ведет к повышению мощности и КПД турбоустановки.

Результаты работы использованы в рабочем проекте ВП паровых турбин К-330−23,5−1 для Рефтинской ГРЭС и К-175/180−12,8 для Березовской ГРЭС. Предлагаемая методика была также успешно использована автором при проектировании ВП частей среднего давления турбины типа К-200 и турбины ТР-3,7−1,28/0,2П.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и положительно оценены: на VI международной научно-практической конференции «Российская энергетика — 2009: совершенствование теплотехнического оборудования, реконструкция ТЭС, внедрение систем сервиса» (г. Екатеринбург, 2009) — на XIII международной научно-технической конференции «Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования» (г. Харьков, Украина, 2012) — на секции ПТ, ГТ и ПГ установок НТС ОАО «НПО ЦКТИ» (г. СПб, 2012) — на совместном заседании кафедр ФГБОУ ВПО «СПбГПУ» «Турбинные двигатели и установки» и «Теоретические основы теплотехники» (г. СПб, 2012).

Личный вклад диссертанта состоит: в постановке задач исследования, в усовершенствовании одномерной методики проектного расчета для разработки исходного варианта ВПв верификации трехмерного расчета ВП мощной паровой турбины по данным натурного эксперимента, в разработке последовательности выполнения расчетов трехмерного течения при проектировании ВПв проектировании аэродинамически отработанных ВП цилиндров низкого давления (ЦНД) турбин К-330−23,5−1, К-175/180−12,8 и ВП цилиндров среднего давления (ЦСД) турбин типа К-200 и ТР-3,7−1,28/0,2П.

На защиту выносятся: одномерная методика проектирования исходного варианта ВПверификация результатов численного моделирования трехмерного течения в проточной части ВПметодика отработки проточной части ВП по результатам численного моделирования в ней трехмерного течениярезультаты практической реализации предложенной методики проектирования на примере проточной части ВП паровой турбины К-175/180−12,8 Березовской ГРЭС.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, списка обозначений, четырех глав, заключения и библиографического списка использованной литературы из 111 источников. Диссертация содержит 131 стр. текста, 48 иллюстраций и 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработана методика проектирования ВП в два этапа: на первом — патрубок проектируется поэлементно по одномерной методике, на втором — по результатам расчета трехмерного течения выполняется доводка его конструкции с учетом взаимного влияния элементов и реальной структуры потока во входном сечении патрубка.

Показана возможность проектирования эффективных ВП мощных паровых турбин по разработанной методике.

Решены следующие задачи.

1. На основе анализа существующих конструкций ВП отечественных и зарубежных паровых турбин показано, что проточную часть ВП, вне зависимости от его типа, можно рассматривать как последовательность характерных участков: начальный, диффузор, поворотная камера и переходной патрубок.

2. Проведена ревизия существующих одномерных методов расчета на предмет их соответствия результатам опубликованных к настоящему времени экспериментальных данных. Установлено, что одномерные методы расчета ВП, подробно изложенные как в отечественной, так и в зарубежной литературе, позволяют успешно проектировать элементы ВП. В результате выполненных автором обобщений сформулированы рекомендации по одномерному проектированию характерных участков ВП.

3. Показано, что ВП, составленный из спроектированных по одномерной методике участков, является хорошим исходным приближением для дальнейшей отработки его проточной части по результатам численного моделирования трехмерного течения.

4. Выполнено обоснование выбранной методики расчета трехмерного течения в ВП с использованием пакета прикладных программ ANS YS CFX-11 (выбран метод моделирования RANS с использованием k-s модели турбулентности). Приведены результаты тестирования расчета трехмерного течения в ВП с низким коэффициентом потерь (турбина К-300−240) и с высоким значением коэффициента потерь (турбина К-160−130).

5. Показана целесообразность подразделения трехмерных расчетов на первичный, серию корректировочных и поверочный. Первичный расчет необходим для подтверждения корректности одномерного проектирования. В результате первичного расчета формируется трехмерная картина течения в патрубке, выявляются зоны течения с повышенными потерями. Корректировочные расчеты позволяют с учетом реальных условий течения во входном сечении тщательно отработать обводы ВП, а также форму и положение наполняющих его элементов. Поверочный расчет предназначен для определения газодинамических характеристик окончательной конструкции ВП.

6. С применением разработанной в диссертации методики автором выполнено рабочее проектирование новых ВП для двух принятых к производству мощных паровых турбин К-330−23,5−1 и К-175/180−12,8. Паровая турбина К-175/180−12,8 имеет ВП с низким расчетным коэффициентом потерь = 1,09. Она предназначена для установки на Березовской ГРЭС взамен выработавшей ресурс паровой турбины К-160−130.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, а — скорость звука, м/св = в/о, — относительная ширина патрубкав — ширина патрубка, мс — скорость потока на участка, м/с- = ?>,/?, — относительный входной диаметр диффузорао2 = I) 2 /о, — степень радиальности диффузора- 2 ф = ° 2 / ° сР ~ степень радиальности диффузорао — наружный диаметр диффузора, мо ирсредний диаметр входного сечения диффузора, м;

Б 1ср I?! — коэффициент веерности;

3 = /?>, — втулочное отношение диффузорас? — внутренний диаметр диффузораF — площадь поверхности, м2- с — массовый расход, кг/м3- в у — объемный расход, м3/сс у — режимный параметр;

Я = - относительная высота нижней половины ВП;

Нкр = н кр IИ, ср — относительная высота верхней половины н — высота патрубка (верхней и нижней половины), мн — высота верхней половины патрубка (крышки), мл = (с&bdquo- /Ч)/(с/р,) относительный удельный расходь = ь/ох — удлинение диффузораь/(.хинтенсивность поворота в диффузоре- ?" = ¿-&bdquo-/о, — относительная длина патрубкаЬ — длина диффузора, м ;

11 — высота входного сечения диффузора (разница периферийного и корневого радиусов), м;

12 — длина выходного сечения диффузора, м- 3 — длина наддиффузорной части ВП, м- 3 = — относительная длина наддиффузорной части ВПI ср п — степень расширенияр — давление, МПар = р/р q, ~ безразмерное давлениег — радиус изгиба образующей диффузора (1 — наружной, 2 — внутренней поверхности), м;

S — периметр поверхности, ми/с 0 — коэффициент скоростиv — объем, м — v — удельный объем, м /кгw — скорость потока, м/са = а, + а 2 — угол раскрытия диффузора, град.- а, — угол раскрытия внутренней поверхности диффузора, град.- а 2 — угол раскрытия наружной поверхности диффузора, град.;

2 3 s — средняя скорость диссипации энергии, м /с — С = 1 — ср2 — коэффициент потерь кинетической энергииС в с ~ коэффициент потерь с выходной скоростью- £вн — коэффициент внутренних потерь;

Сдиф опт — значение коэффициента полных потерь диффузора с оптимальной степенью расширения и такими же габаритамиС, п — коэффициент полных потерьв — локальный угол раскрытия диффузора, град.- и — динамическая молекулярная вязкость, Па-сV — коэффициент вязкостир — плотность, кг/м3- <р — коэффициент «смягчения удара».

Индексы.

0 — сечение перед участком;

1 — сечение на входе в рассматриваемый участок;

2 — сечение на выходе из рассматриваемого участкадиф — диффузорконд — конденсаторнач. уч — начальный участокном — номинальное (расчетное) значениеопт — оптимальное значениеп. кповоротная камерап.ппереходной патрубокср — среднее значениеэфф — эффективная величина.

Критерии подобия.

VI' м =—число Махаа.

Яе = ^^— число Рейнольдса (здесь Ь — характерная длина). м.

Сокращения.

ВП — выходной патрубок;

ВТИ — ОАО «Всероссийский теплотехнический научно-исследовательский институт»;

ГРЭС — государственная районная электростанция;

КПД — коэффициент полезного действия;

ЛМЗ — АО «Ленинградский металлический завод»;

МКО — метод конечных объемов;

МЭИ — Московский энергетический институт;

НИИТП — ОАО «Научно-исследовательский институт точных приборов»;

СПбГПУ — Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, ранее Ленинградский политехнический институт (ЛИИ);

ТЭС — тепловая электростанция;

ТЭЦ — теплоэлектроцентраль;

УТМЗ — ООО «Уральский Трубно-Механический завод»;

ХТГЗ — ОАО «Турбоатом», ранее Харьковский турбогенераторный завод;

ЦАГИ — ФГУП «Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского» ;

ЦВД — цилиндр высокого давления;

ЦИАМ — ФГУП «Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И.Баранова»;

ЦКТИ — ОАО «Научно-производственное объединение по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И.И. Ползунова», ранее Центральный котлотурбинный институт (ЦКТИ);

ЦНД — цилиндр низкого давления;

ЦСД — цилиндр среднего давления;

Примечание: Остальные обозначения вводятся и поясняются непосредственно в тексте диссертации.