Разработка и исследование систем стабилизации течения пара в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах паровых турбин

В настоящее время целесообразность работ по совершенствованию различных элементов паровых турбин не вызывает сомнения. Многолетний опыт эксплуатации турбоустановок свидетельствует, что до настоящего времени все еще имеются неиспользованные резервы повышения экономичности выхлопных патрубков и регулирующих клапанов, причем в ряде случаев указанные устройства не соответствуют необходимым требованиям надежности. В значительной степени снижение надежности происходит в результате возникновения больших пульсаций параметров потока в проточных частях патрубков, клапанов и связанных с ними паропроводов, а высокие гидравлические потери в указанных узлах турбины существенно ухудшают экономичность всей ПТУ.

В работе рассматривается вопрос активного воздействия на поток с помощью специальных устройств с целью снижения вибрации и потерь энергии в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах.

Актуальность темы

диссертации.

Регулирующие клапана и выхлопные патрубки существенным образом влияют как на экономичность, так и на показатели надежности паровых турбин. При этом указанные важнейшие показатели работы турбоустановок в V значительной степени зависят от характера течения рабочих сред в тех или иных проточных частях.

Как в регулирующих клапанах, так и в выхлопных патрубках течение пара носит нестационарный характер с ярко выраженной вихревой структурой. Отмеченные особенности наиболее ярко проявляются в случае использования выносных регулирующих клапанов, связанных с сопловыми коробками турбины относительно длинными паропроводами с несколькими последовательными поворотами на 90°. В таких системах наблюдается очень высокий уровень пульсаций давления, что ведет в конечном счете к повышенной вибрации как самого регулирующего клапана, так и последующего паропровода.

Аналогичная картина имеет место и в выхлопных патрубках, где на пути от лопаток последней ступени до конденсатора пар движется по очень сложной проточной части и сворачивается в вихревые шнуры и крупные вихревые образования. В результате резко увеличиваются потери энергии, гидравлическое сопротивление, пульсации давления в потоке и вибрация корпуса патрубка. Последнее обстоятельство может привести к снижению вибрационной надежности ротора цилиндра низкого давления, так как на многих турбинах подшипники встроены непосредственно в корпус патрубка цнд.

Приведенные соображения достаточно убедительно свидетельствуют об актуальности работы, призванной стабилизировать течение в выхлопных патрубках и выносных регулирующих клапанах и за счет этого снизить потери энергии и уровень вибрации рассматриваемых устройств паровых турбин.

Объекты исследования.

Предметом исследования являются выхлопные патрубки, регулирующие клапана и паропроводы высокого давления, соединяющие выносные клапана с сопловыми коробками паровой турбины.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является изучение влияния систем стабилизации течения на экономичность и вибрационное состояние выхлопных патрубков и систем регулирующий клапан — паропровод высокого давления. Для решения поставленной задачи необходимо:

— провести анализ характера течения в проточных частях рассматриваемых элементов с целью определения причин их вибрации и высокого уровня пульсаций давления в рабочей среде;

— разработать эффективные устройства (аэродинамические фильтры), способные путем воздействия на структуру потока снизить уровень вибрации, а в некоторых случаях и потери энергии;

— провести сравнительные исследования аэродинамических фильтров;

— получить достоверные опытные данные, позволяющие объективно оценить влияние аэродинамических фильтров на вибрационное состояние выхлопных патрубков, клапанов и паропроводов высокого давления, а также выяснить их влияние на потери энергии в указанных объектах исследования.

Методы исследований и достоверность полученных результатов.

Достоверность представленных в диссертации результатов обеспечивалась использованием высокоточной современной измерительной аппаратуры, высокой повторяемостью опытных данных, применением общепринятых методик обработки экспериментальных данных и опытом эксплуатации натурного оборудования, где были использованы предлагаемые решения.

Научная новизна работы состоит:

— в проведении испытаний регулирующих клапанов совместно с последующим паропроводом высокого давления;

— в разработке и исследовании новых способов снижения вибрации паропроводов, регулирующих клапанов и выхлопных патрубков, основанных на активном аэродинамическом воздействии на поток рабочего тела в указанных объектах;

— в сравнительной оценке эффективности патрубков путем тензометрирования усилий на задней стенке выхлопного патрубка.

Практическая ценность работы.

Результаты, полученные в работе, могут быть использованы для снижения вибрации регулирующих клапанов, паропроводов высокого давления и выхлопных патрубков паровых турбин.

Полученные данные свидетельствуют, что в ряде случаев установка аэродинамических фильтров приводит также к снижению сопротивления как паропроводов высокого давления, так и выхлопных патрубков.

Результаты работы могут быть использованы при проектировании рассматриваемых узлов для новых турбин, а также для модернизации имеющихся.

Кроме того, разработанные новые способы аэродинамической защиты стенок трубопроводов от действия возмущенного потока, поступающего в них после регулирующих клапанов, способствуют повышению срока службы этих трубопроводов.

На защиту выносятся:

— результаты исследования бездиффузорных и диффузорных выхлопных патрубков с противовихревыми решетками, установленными ниже горизонтального разъема, а так же влияние положения внешних обводов диффузоров относительно входного сечения на экономические показатели патрубков при наличии во входном сечении высокоскоростной струи;

— результаты исследования влияния угла раскрытия диффузорных седел регулирующих клапанов на их вибрационное состояние;

— результаты исследования вибрационного состояния системы регулирующий клапан — паропровод и исследования развития пульсаций давления в проточной части такой системы;

— результаты исследования воздействия неравномерного поля скоростей на развитие пульсаций в конических диффузорах выхлопных патрубков и клапанов;

— результаты исследований степени гашения пульсаций давления с помощью перфорированных и щелевых гасителей;

— методика оценки эффективности выхлопных патрубков с помощью тензометрирования усилий на его торцевой стенке.

Аннотация диссертационной работы по главам.

В первой главе рассматриваются предшествующие исследования, посвященные выхлопным патрубкам, регулирующим клапанам и течению в трубопроводах, которые соединяют эти клапана с сопловыми коробками паровых турбин. Показано, что поток пара в выхлопных патрубках носит ярко выраженный вихревой характер, существенно ухудшающий энергетические характеристики патрубка. Рассмотрены некоторые способы снижения интенсивности вихрей. Здесь же приводится и обзор работ, затрагивающих вопросы изучения структуры потока в клапанах и трубопроводах. Поток 'Щ> рабочего тела в проточных частях клапанов и трубопроводов характеризуется высокой степенью нестационарности и включает в себя интенсивные вихревые образования. Подробно рассмотрен механизм образования вихрей и вторичных течений из-за наличия в трубопроводе поворотных колен. По существу, до настоящего времени отсутствуют практические способы изменения характера течения в сложных трубопроводных системах, хотя во многих случаях именно от структуры потока зависит вибрационное состояние трубопроводов.

Во второй главе приводятся данные по экспериментальным установкам, на которых производились исследования средств стабилизации потока в выхлопных патрубках, клапанах и паропроводах высокого давления. Подробно описан расходный метод определения коэффициентов полных потерь патрубков, методы исследований средств стабилизации потока. Впервые для оценки аэродинамических качеств выхлопных патрубков использован метод тензометрирования. Приводятся описания систем измерений и приборного обеспечения, включающего в себя современные отечественные и зарубежные измерительные приборы, а так же оценивается погрешность проводимых измерений.

В третьей главе содержатся результаты экспериментальных исследований диффузорных и бездиффузорных выхлопных патрубков как с противовихревыми решетками, так и без них. Показано, что путем установки этих решеток возможно снизить потери энергии в системе выхлопа паровой турбины. Приводятся данные по оптимизации расположения указанных решеток в патрубке с целыо повышения его эффективности.

В четвертой главе представлены результаты исследований регулирующих клапанов совместно с последующими трубопроводами и рассмотрены способы повышения вибрационной надежности рассматриваемой системы за счет активного аэродинамического воздействия на поток. Исследования проводились на экспериментальных установках, одна из которых была создана специально для исследования гасителей пульсаций параметров потока (вихрегасителей), а другая представляла собой модель клапана, соединенного с последующим сложным трубопроводом. Это позволило определить рациональную конструкцию указанного гасителя, а так же рассмотреть его влияние на работу регулирующих клапанов. Описаны конструкции промышленных вихрегасителей, созданных для снижения уровня вибрации паропроводов паровых турбин.

В заключении приведены основные выводы по проделанной работе.

Все экспериментальные исследования в рамках данной работы выполнялись в газодинамической лаборатории кафедры Паровых и Газовых Турбин Московского Энергетического Института.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате проведенных исследований показано, что при установке в выхлопных патрубках пластинчатых противовихревых решеток существенно (в два — три раза) снижается вибрация их корпусов, уменьшаются пульсации давления рабочей среды в выходном сечении и снижаются потери энергии.

2. Конечная эффективность использования противовихревых решеток в выхлопных патрубках зависит от интенсивности возникающего в их корпусах вихревого движения. Соответственно, наибольшее снижение потерь энергии при использовании противовихревых решеток было получено в бездиффузорных выхлопных патрубках (10 -15%), где поворот потока происходит при высоких скоростях. При использовании рассматриваемых решеток в диффузорных патрубках потери энергии снижаются на 5 — 7%.

3. Впервые для сравнительной оценки эффективности выхлопных патрубков с различными внутренними элементами использовался метод, основанный на тензометрировании сил, действующих на заднюю торцевую стенку патрубка. Этот метод позволяет объективно оценивать степень снижения гидравлического сопротивления патрубков при установке ниже их горизонтального разъема противовихревых решеток.

4. Сравнение между собой различных методов определения полных потерь энергии в выхлопных патрубках показало, что при больших скоростях рабочей среды во входном сечении только расходный метод позволяет получить достоверные данные о величине указанного коэффициента.

5. Исследования выхлопных патрубков в статических условиях проводились на специально созданной установке, позволяющей создавать у периферии входного сечения патрубка высокоскоростную кольцевую струю, имитирующую реальное поле скоростей за последней ступенью турбины. Проведенные на этой установке исследования диффузорных выхлопных патрубков подтвердили обоснованность установки за последней ступенью конденсационной турбины внешнего обвода осерадиального диффузора с отрицательной относительно вершины рабочей лопатки перекрышей.

6. Впервые в лабораторных условиях исследования регулирующих клапанов проводились совместно с последующими трубопроводами. Эти исследования выявили сильное взаимное влияние клапана и трубопровода на вибрационное состояние всей рассматриваемой системы.

7. Показано, что уровень пульсаций давления в потоке и уровень виброперемещений и виброскоростей на клапанной коробке и трубопроводе тесно связаны между собой. Так, при использовании в клапане диффузорного седла с углом раскрытия 10° вместо диффузора с углом раскрытия 7° уровень пульсаций давления в потоке за ним увеличился почти в два раза. Примерно на столько же увеличилась и величина виброперемещений в характерных точках системы клапантрубопровод.

8. Для новых профилированных регулирующих клапанов с профилированной поверхностью чаши уровень пульсаций давления в рабочей среде мало изменяет величину динамических нагрузок на штоке. Проведенные исследования показали, что при увеличении пульсаций давления в потоке за клапаном в 2 — 2,5 раза величина динамических усилий на штоке исследованного клапана практически не изменилась. Т. е. для клапанов с эффективным аэродинамическим демпфированием по уровню пульсаций давления, измеренному за клапаном, нельзя судить об уровнях динамических сил на штоках таких клапанов.

При исследовании системы клапан — трубопровод так же как и при исследовании выхлопных патрубков была показана высокая эффективность использования вихрегасителей (аэродинамических фильтров) для снижения вибрационного состояния всей рассматриваемой системы, причем установка гасителя снижала пульсации давления не только за ним, но меняло картину течения и по всей предшествующей проточной части клапана.