Повышение эффективности сопловых решеток турбин на влажном паре изменением геометрических параметров и гидрофобными присадками

Хорошо известно, что в СССР осуществляется интенсивное строительство АЭС, разрабатываются новые типы основного и вспомогательного оборудования, модернизируются и совершенствуются уже освоенные в промышленности энергетические комплексы.

Энергетическая проблема в Сирийской Арабской Республике становится изо дня в день все более актуальной для экономики страны. Эта важнейшая задача решается как на пути использования традиционных, так и новых источников энергии.

Преимущественное развитие энергетики предусмотрено государственными планами Сирийской Арабской республики, где тепловые и атомные электростанции проектируются и сооружаются при содействии Советского Союза, оказывающего братскую помощь дружественной стране. Успехи в совершенствовании оборудования АЭС, достигнутые в Советском Союзе, имеют важное значение и для атомной энергетики САР.

Паровые турбины представляют собой важное звено тепловой электростанции, их эффективность и надежность весьма существенно влияет на экономичность и надежность всей станции. Следует подчеркнуть, что проблемы экономичности и надежности паровых турбин являются взаимосвязанными. В подавляющем большинстве высокая экономичность турбоустановки определяет и ее высокую надежность.

Как показывает практика мирового турбостроения, наиболее острыми являются проблемы повышения экономичности и надежности ступеней ЦНД мощных паровых турбин высоких параметров, работающих в зоне конденсирующегося и влажного пара. Наряду с другими факторами (большая веерность ступеней, большие числа Маха, низкие числа Рей-нольдса и др.) значительное влияние на экономичность ЦНД оказывает влажность пара. До настоящего времени многие физические аспекты сложного процесса течения конденсирующегося и влажного пара в решетках, в ступенях и в отсеках ступеней, не получили полного освещения. Отсутствуют достаточно надежные аэродинамические характеристики решеток на влажном паре (коэффициенты потерь кинетической энергии, коэффициенты расхода, углы выхода потока), необходимые для газодинамического и теплового расчетов проточной части (в особенности, решеток ступеней большой веерности).

Проблема влияния влажности является наиболее острой для турбин насыщенного параступени высокого давления таких турбин работают в области влажного пара и их экономичность и надежность в еще большей степени зависят от влажности (по сравнению с турбинами перегретого пара).

Структурные исследования двухфазных течений в решетках и ступенях дали результаты, которые могли бы использоваться для оптимизации решеток и ступеней влажнопаровых турбин. В настоящее время проблемы оптимизации решались, в основном, под углом зрения уменьшения количества жидкой фазы в проточной части. Решение этой задачи достигается применением развитой внутриканальной, периферийной сенарации и внешней сенарации. В последние годы начаты исследования внутриканального наддува сопловых решеток с одновременным обогревом полых лопаток. Этот метод борьбы с отрицательным влиянием влаги еще не использован с необходимой полнотой. Однако представляется очевидным (на основании первых опытных данных), что метод внутри-канального наддува греющим паром является перспективным, в особенности, в сочетании с отработкой оптимизированных для этой цели профилей и геометрических параметров решеток.

Следует подчеркнуть, что задачи оптимизации профилей и решеток для влажного пара представляют особый интерес в сочетании либо с сепарационннм методом уменьшения влажности, либо с методом наддува греющим паром. Цри этом, в основу оптимизации должны быть положены не только условия минимизации дополнительных потерь от влажности и суммарных потерь, но и условия максимальной эрозионной надежности рабочих и сопловых решеток.

Представляется очевидным, что оптимизация форм, профилей и геометрических параметров решеток для ступеней влажного пара в сочетании с внутриканалышм наддувом греющим паром или внутриканаль-ной сепарацией является значительно более сложной задачей по сравнению с известными оптимизационными решениями для гомогенной среды.

Вместе с тем, кроме перечисленных путей совершенствования решеток для влажного пара, в последнее время в газодинамическом отделе кафедры ПГТ МЭИ были развернуты исследования, ориентированные на применение гидрофодных веществ.

Применение гидрофодазирующих элементов широко известно. Такие вещества позволяют заметно снизить гидродинамическое сопротивление в различных каналах. Поэтому естественной была попытка использовать гидрофодные вещества в двухфазных потоках в проточной части влажно паровых турбин.

Первые опыты с введением малого количества пленкообразующего октадециламина (ОДА) в проточную часть турбин влажного пара подтвердили целесообразность такого метода снижения отрицательного влияния влаги. Опыты показали, что введение в водяной пар присадок ОДА в малых количествах приводит к следующим положительным результатам: I) способствует дроблению крупных капель- 2) стабилизирует нестационные процессы- 3) снижает интенсивность волнового движения на границе раздела фаз (на поверхности пленок) — 4) снижает потери кинетической энергии, связанные с взаимодействием фаз (несущей фазы с каплями) — 5) способствует снижению эрозионного разрушения лопаток.

Однако детальное изучение влияния ОДА на аэродинамические * характеристики решеток (сопловых и рабочих) различных геометрических параметров, не было до сих лор осуществлено. Если иметь в виду введение ОДА в проточную часть турбин, то наряду с другими задач ми, необходимо было получить опытные данные, характеризующие дифференцированное влияние ОДА на составляющие потерь кинетической энергии в решетках, углы выхода потока, коэффициенты расхода на структуру двухфазного потока в решетках, в том числе и на способность ОДА снижать эрозионный износ.

Таким образом, в предлагаемой диссертации рассмотрены две взаимосвязанные задачи:

1. Оптимизация профилей сопловых решеток до звуковых скоростей для работы в области влажного пара.

2. Исследование влияния пщрофобизирующего вещества (ОДА) на аэродинамические характеристики решеток исходного типа и оптимизированных по геометрическим параметрам.

Работа выполнена под руководством проф. М. Е. Дейча, поставившего задачу исследования и осуществлявшего непосредственное научное руководство при ее решении.

Автор данной работы выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н., проф. М. Е. Дейчу, а также к.т.н. с.н.с. A.B. Куршакову, к.т.н. В. А. Сивобороду и к.т.н. доц. В. В. Фролову за помощь, оказанную диссертанту в анализе и трактовке результатов.

Диссертант выражает свою признательность всему коллективу кафедры ЕГТ МЭИ за помощь в организации и проведении экспериментов.

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Обобщение результатов опытов, ранее проведенных в МЭИ и комплекс экспериментальных и расчетных исследований, представленный в настоящей диссертации позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Подтверждено, что дополнительные потери кинетической энергии в изолированных сопловых решетках, вызванные появлением жидкой фазы низкой степени дисперсности (крупные капли, пленки), при дозву ковых скоростях обусловлены: а) рассогласованием скоростей фаз (скольжением капель, дробле нием, коагуляцией и взаимодействием с пленками). б) увеличением потерь на трение в двухфазном пограничном слоев) возрастанием амплитуд пульсаций, создаваемых дискретной фазой (каплями) — г) неравновестностью процесса расширения.

2. Влияние влажности на аэродинамические характеристики сопловых решеток группы, А (для дозвуковых скоростей) существенно зависит от геометрических параметров решеток и формы профилей (каналов). Изменением относительного шага лопаток, формы входного участка каналов, радиуса округления входной кромки формы и размеров выходных^боеспечивается снижение дополнительных потерь кинетической энергии.

3. Уменьшением относительного шага от = 0,75 до? =0,62 и радиуса округления входной кромки отГ0 = 3,5 мм до = 1,5 мм при одновременном увеличении хорды профиля на 43 МИ, и, соответствен но, протяженности входного участка межлопаточного канала, дополнительные потери от влажности снижены в среднем на %, При этом основная часть исходного профиля сохранена неизменной, обугленная выходная кромка заменена плоскосрезанной.

Указанное снижение потерь подтверждено в широком диапазоне режимов по числам Маха и Рейнольдса.

4. Физически обоснованный выбор основных геометрических параметров профиля и межлопаточного канала позволяет улучшить структурные характеристики двухфазного потока в сопловой решетке: размеры капель за решеткой уменьшаются в>-2−2,5 Р (Щраспределение дискретности по шагу оказывается более равномерным, коэффициенты скольжения возрастают. Можно ожидать, что по этим причинам эрозионный износ рабочих лопаток будет менее интенсивным.

5. Расчет двухфазного монодисперсного потока в сопловых решетках по методу, разработанному в МЭИрЗ3удовлетворительно подтверждается данными эксперимента. Установлено хорошее совпадение распределение давлений по обводам профиляподтверждена удовлетворительная сходимость расчетных и экспериментальных значений основной части дополнительных потерь и углов выхода потока в зависимости от влажности.

6. Расчеты перегретого и спонтанно-конденсирующегося потока пара, осуществленные по методу МЭй[32 ], показали удовлетворительную сходимость с результатами эксперимента по распределению давлений на обводах профиля при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях, распределению концентраций и дисперсности жидкой фазы за решеткой.

Вместе с тем, неучитываемое в расчетах влияние вязкости несущей фазы пограничного слоя, особенно значительное в косом срезе решетки, пульсационных процессов, а также реальной волновой структуры при сверхзвуковых скоростях, не позволяет использовать расчетные методы для полного сопоставления различных решеток и их оптимизации.

7.

Введение

м малых добавок гидрофобного вещества — окдадеци-ламина — в двухфазный поток на входе в сопловую решетку приводит к значительному снижению дополнительных потерь от влажности (профильпри расходе окладециламина до 22,0 гр ОДА/кг пара.

Уменьшение дополнительных потерь при введении ОДА обусловлено: а) снижением затрат кинетической энергии несущей фазы на разгон, дробление и коагуляцию капель, размеры которых уменьшаются при гидрофобизацииб) стабилизацией поверхности раздела в двухфазном пограничном слое и, как следствие, уменьшением потерь на трение на обводах профиля и в концевых зонахв) снижением интенсивности пульсационных процессов и, в частности, степени турбулентностиг) снижением степени неравновесности процесса расширения при гетерогенной конденсации.

8.

Введение

ОДА улучшает структурные характеристики потока за решеткой, уменьшает размеры капель и рассогласование скоростей несущей и дискретной фаз по величине и направлению, что должно снизить эрозионный износ лопаток.

Таким образом, проведенные исследования, показали, что попытки учета влияния влажности на характеристики ступени (КПД, коэффициенты потерь и расхода, углы выхода потока) без учета конкретных форм профилей и каналовй сопловой и рабочей решеток являются несостоятельными.

Вместе с тем, результаты проведенного исследования не позволяют разработать методику расчета аэродинамических характеристик сопловой и рабочей решеток, так как для решения этой важной задачи необходимо проведение дополнительных исследований решеток и ступеней различных типоразмеров. ных и концевых): А снижается на i %,.

Представляются необходимыми дальнейшие экспериментальные исследования, ориентированные на подробное изучение влияния влажности на аэродинамические характеристики сопловых и рабочих решеток. Составной частью этих исследований должно быть подробное изучение влияния основных геометрических параметров решетках (относительного шага, угла установки профиля, протяженности слабоградиентного входного участка канала, размеров входной и выходной кромок и др.) на дополнительные потери от влажности, углы выхода потока, коэффициенты расхода. По данным предшествующих и настоящего исследований должна быть определена необходимой номенклатура типоразмеров профилей дозвуковых решеток на различные углы входа и выхода потока, для различных диапазонов чисел Маха, Рейнольдса и отношения плотностей фаз.

Дальнейшее совершенствование расчетного метода, учитывающего влияние пограничного слоя, пульсационных характеристик потока спонтанно конденсирующегося пара, а также реальной волновой структуры в косом срезе при сверхзвуковых скоростях, позволит решать задачи оптимизации решеток и ступеней с привлечением экспериментальных данных минимального объема.