Совершенствование камеры за регулирующей ступенью паротурбинной установки на основе численного моделирования

Актуальность работы. Эффективность работы паротурбинной установки в значительной степени зависит от аэродинамического совершенства ее отдельных элементов. В наиболее тяжелых условиях работы (высокие температуры, давления) оказывается цилиндр высокого давления (ЦВД). Отсек, включающий регулирующую ступень (PC), камеру за ней и первую ступень давления (СД) (далее отсек), существенно влияет на КПД ЦВД.

Парциальный впуск рабочего тела (р.т.) в камеру согласно численно-экспериментальным исследованиям значительно влияет на работу примыкающей к ней СД, что связано с окружной и радиальной неравномерностями параметров потока в камере, сложным вихреобразным характером течения в ее пространстве. При этом экономичность смежных ступеней снижается.

В результате анализа численных и экспериментальных данных выяснилось, что влияние конструктивных и режимных параметров на работу подобных отсеков продолжает оставаться малоизученным. Поэтому исследования влияния геометрии камеры в сочетании с режимом работы PC на экономичность отсеков паровых турбин с сопловым парораспределением и их совершенствование остаются актуальными и представляют практическую значимость.

В настоящее время для решения задач в области газодинамики широко применяются численные методы с использованием пакетов программ по вычислительной гидрогазодинамике, реализующих CFD-технологии {Computational Fluid Dynamics). К наиболее распространенным и экспериментально апробированным программам можно отнести Ansys CFX, Ansys Fluent, Star-CD.

Цель и задачи работы — повышение экономичности отсеков паровых турбин с сопловым парораспределением при переменных режимах работы PC. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи: • разработать методику аэродинамического исследования отсека численными методами;

• создать расчетную модель отсека, позволяющую учитывать изменение степени парциальности и режима работы РС, конструкции камеры;

• провести расчет потерь располагаемой кинетической энергии потока и степени неравномерности течения р.т. на входе в СД при изменении конструктивных и режимных параметров отсека;

• исследовать структуру потока на входе в СД в радиальном и окружном направлениях;

• на основе анализа выполненных расчетов предложить практические рекомендации по модернизации конструкций отсеков с сопловым парораспределением.

Предметом исследования является камера за РС, характеристики р.т. в ней при различном конструктивном оформлении (относительный межступенчатый зазор (ОМЗ) Аг, корневой и периферийный обводы).

Метод исследования. Для решения поставленных задач использовались методы численного моделирования, основанные на решении осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, замыкаемых ЯЯГ моделью турбулентности, методы экспериментального исследования параметров течения в камере при различных конструктивных и режимных параметрах отсека и анализ структуры потока в характерных сечениях.

Достоверность результатов расчета течения в камере подтверждается экспериментальными данными из специальной литературы, а также проведенными автором экспериментальными исследованиями.

Научная новизна работы:

• предложена методика определения влияния конструктивных и режимных параметров на экономичность прилегающей к камере СД;

• выявлена зависимость влияния парциальности и режима работы РС, геометрии камеры на потери располагаемой кинетической энергии и неравномерность параметров р.т. на входе в направляющий аппарат (НА) СД;

• предложены методические рекомендации по выбору конструктивных параметров камеры для обеспечения эффективной работы отсека. 9.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы при проектировании новых и модернизации эксплуатируемых турбин, оснащенных исследуемыми отсеками с сопловым парораспределением, что повысит их экономичность. На защиту выносятся:

• разработанная методика для выполнения численных расчетов исследуемых отсеков паровых турбин;

• результаты течений р.т. в камере за PC;

• полученные оптимальные конструктивные параметры камеры;

• характер изменения коэффициента потерь располагаемой кинетической энергии и степени неравномерности параметров р.т. в зависимости от конструктивных и режимных параметров.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования течения р.т. в камере в программном комплексе Ansys CFX, в проведении расчетов, в анализе полученных результатов, в создании модельного отсека (МО) и проведении экспериментальных работ по теме диссертации.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на научно-технической конференции студентов и аспирантов (Брянск, 2008), на международных научно-практических конференциях по проблемам энергетики и теплоснабжения (Брянск, 2010 и 2011), на научно-техническом семинаре кафедры «Турбинные двигатели и установки» СПбГПУ (С.-Петербург, 2011).

Публикации. Основные материалы диссертации представлены в 5 статьях, из них 3 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК России, а также в материалах 4 научно-технических конференций и патенте на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, содержащего 75 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц текста, включая 70 рисунков и 12 таблиц.

обводы.

Рис. 4.24. Зависимости потерь располагаемой кинетической энергии и неравномерности параметров р.т. от наличия меридиональных обводов в камере:

Д — с, = / (наличие обводов)', 0 — ФС02 = / (наличие обводов)-, о — Фст = / (наличие обводов)',? — ФСг02 = / (наличие обводов)', + - ФР. ог = / {наличие обводов) — х — Ф, 02 = / (наличие обводов).

Снижение потерь располагаемой кинетической энергии на 41,4% не является предельным. Возможны резервы понижения потерь в камере, применяя более оптимизированные профили обводов.

Снижение коэффициентов неравномерности параметров объясняется отсутствием в камере с обводами развитых вихревых течений, в которых составляющие абсолютной скорости принимают существенные значения. Плавный переход основного течения от входа к выходу без прохождения через зоны разряжения периферийной и корневой областей камеры приводят к минимуму радиальной составляющей скорости на выходе (снижение угла у02) и лучшему сохранению кинетической энергии потока. Отрывная зона у корня при выходе их камеры становится менее значительной, что снижает неравномерность параметров потока. Данные выводы хорошо согласуются с качественной картиной течения (рис. 4.25.4.27).

Velocity Vector Velocity.

1.792e+002.

ШШВ.

Velocity Vector Velocity 1 369e+002 mms,.

1 027e+00:

6.845e+00t.

3.422e+001.

0.000e+000 [m sM] л i ii i i: i, i j ji i i ь.

Рис. 4.25. Распределение векторов абсолютной скорости в камере в опытах № 2 и № 3.

Velocity Contour Velicity 1.792e+00.

1.613e+00.

1.434e+00;

1.254e+00;

1.075e+002.

8.960e+001.

7.168e+001.

5.376e+001.

3.584e+001.

1.792e+001.

0.000e+000 [m sA-1].

Velocity Contour Velicity.

4 1,369e+002.

1 232e+002 1.095e+002 9 583e+001.

8.214e+001.

6.845e+001.

5.476e+001.

4.107e+001.

2.738e+001.

1.369e+001.

0.000e+000 [m sA-1] ь.

Рис. 4.25. Распределение цветового градиента абсолютной скорости в камере в опытах № 2 и № 3.

1Ыа1 Ргезэиге СопЮигТс^а! Ргеввиге 6.930е+00.

4.692е+00.

2.453е+00.

2.144е+00.

— 2.024е+003.

— 4.263е+003.

— 6.502е+003.

— 8.740е+003.

— 1 098е+004.

— 1.322е+004.

— 1 546е+004.

Ра].

То1а1 РгеБэиге СопйигТсЛа! Ргвэвиге 5.128е+003.

3.766е+003.

2.403е+00.

1.041е+00.

— 3.215е+00.

— 1.684е+00.

— 3.046е+003.

— 4.408е+003.

— 5.771 е+003.

— 7.133е+003.

— 8.495е+003.

Ра].

0 060 (т).

Рис. 4.26. Распределение цветового градиента полного давления в камере в опытах № 2 и № 3 v •.

Velocity Vector Velocity 1 792e+002 zMSYS I.

1.344e+002.

8.960e+001.

4 4806+001 0.000e+000 [meA-1].

•" — -K. k.

OOPS 0 0' (m).

Velocity Vector Velocity 1 369e+002.

1.027e+002.

6.846e+001.

3.422e+001.

0.000e+000 [m sA-1] V.

ШВУ8 к.

Рис. 4.27. Распределение векторов абсолютной скорости в выходном сечении камеры в опытах № 2 и № 3.

Необходимо отметить, что сходимость задачи существенно улучшается с применением оптимальных профилей, отвечающих картине течения основной массы р.т.

Таким образом, применение меридиональных обводов необходимо для снижения потерь энергии в камере за РС и снижения коэффициентов неравномерности параметров р.т. при входе в НА СД.

4.3. Исследование камеры за регулирующей ступенью без периферийного и корневого обводов при 8 = 1 и Az = var.

Необходимость в решении данной задачи имеет малую значимость, потому что сложно добиться полной программной сходимости без применения в расчетной модели меридиональных обводов. Задача поставлена с условиями полного подвода е = 1 и осевого входа потока в камеру, следовательно, рассматривается для расчета сектор. В данной задаче не существует проблемы применения или не применения корневого и периферийного обводов для обеспечения лучшей растекаемости потока в камере в случае парциального подвода. Поэтому в этом опыте применение меридиональных обводов является обязательным для получения минимальных потерь энергии в камере.

Данная задача в постановке без обводов была рассчитана в Ansys Fluent. Результатами расчетов являются следующие основные выводы: потери в камере снижаются с увеличением ОМЗ до определенного значения. При.

Az >2,36 потери в камере не изменяются. При этом минимальные потери составили q =58% при Az = 2,36. Дальнейшее увеличение параметра Az не приводит к снижению коэффициента потерь располагаемой кинетической энергии в камере.

4.4. Исследование камеры за регулирующей ступенью с периферийным и корневым обводами при s = 1 и Az = var.

Потери располагаемой кинетической энергии зависят от аэродинамического совершенства проточной части, от плавности меридиональных обводов камеры, от ОМЗ. Количественно потери энергии в камере за PC оценивались в следующем численном эксперименте, включающем 4 опыта: 1) CamepslzlВ87,9- perkor (обозначения: Cam — в расчет принималась камераepsl — степень парциальности PC е =1- zl — ОМЗ Az = lВ87,9 -длина выходного участка камеры В = 87,9 ммper и kor — использовались периферийный и корневой обводы) — 2) Camepslz2,5- В87,9- perkor- 3) Cam;

80 epslz3,5- B87,9- perkor- 4) Camepslz5- B87,9- perkor. В каждом опыте при сохранении прочих конструктивных и режимных параметров изменялось ОМЗ Az = l- 2,5- 3,5- 5. Обводы обеспечивали плавный переход основного течения от входа к выходу. Выходное контрольное сечение (сеч. 02−02) смещалось в соответствии с увеличением ОМЗ.

Геометрический профиль камеры конструктивно менялся следующим образом (рис. 4.28).

2−1.

Аксонометрические проекции данных профилей представлены на рис. 4.29.

Рис 4 29 Изменение геометрии камеры при увеличении ОМЗ.

Граничные условия на входе и выходе из камеры: осевой вход потока с2 = 100 м/с, осредненное статическое давление на выходе р02 =1атм. Полученные в ходе решения данные приведены в табл. 4.1.

Заключение

.

1. В результате проведенных численных экспериментов выявлены мероприятия, позволяющие повысить экономичность и надежность парциального отсека паровой турбины, снизить уровень возмущающих сил, возникающих вследствие неравномерного распределения по окружности параметров потока перед первой ступенью давления.

2. Эффективным методом снижения потерь кинетической энергии в камере за регулирующей ступенью и снижения неравномерности течения рабочего тела является применение меридиональных обводов в камере. Так, применение меридиональных обводов снизило показатели неравномерности параметров потока: ФСо2 — на25,6%, ФС2ю — на27,6%, ФСЯо2 — на 11,4%, Фр. -на.

11,8%, Ф — на 26,6%. Коэффициент потерь располагаемой кинетической.

102 энергии снизился на 40%, что не является предельным, т.к. возможны резервы понижения потерь энергии в камере, применяя более оптимизированные профили обводов.

3. В исследованном парциальном отсеке при работе на режимах, близких к оптимальным, обнаружено различное влияние на потери энергии в камере и неравномерность параметров рабочего тела перед направляющим аппаратом ступени давления относительного межступенчатого зазора и степени парциальности. Общей тенденцией является снижение коэффициента потерь при увеличении ОМЗ. Так, при увеличении Ах = 1- 2,5- 3,5- 5 при е =0,75 коэффициент потерь снизился на 21%. При этом градиент снижения потерь с увеличением Аг уменьшается. При отсутствии закрутки потока за регулирующей ступенью расчет камеры при парциальном подводе ограничивается значением степени парциальности е =0,75, т.к. последующее уменьшение значения 8 приводит к расходимости задачи при расчетах численными методами.

5. Оптимальное значение ОМЗ зависит от формы обводов камеры, а также от степени парциальности и режима работы РС. При значении Аг > 2,5 градиент снижения потерь значительно снижается, и потери в камере незначительно зависят от Аг.

6. В целях повышения экономичности парциальных отсеков следует рекомендовать:

— на стадии проектирования принимать меры по закрутке потока за регулирующей ступенью в пределах рабочего диапазона переменных режимов работы;

— применять корневой и периферийный меридиональные обводы оптимального профиля для данной конструкции камеры;

— в зависимости от выбранной степени парциальности регулирующей ступени выбирать оптимальное значение относительного межступенчатого зазора Аг > 2,5;

— подбирать оптимальные конструктивные параметры камеры за регулирующей ступенью (Аг, геометрия профиля меридиональных обводов) по изложенной методике расчета отсека численными методами.