Влияние отложений в проточной части на эксплуатационные показатели турбомашин

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рост единичных мощностей турбоустановок предъявляет повышенные требования к точности их расчета. При этом в процессе проектирования необходимо учитывать воздействие на надежность и эффективность работы агрегатов нерасчетных аэродинамических факторов, возникающих в проточной части турбомашин, например, при изменении в процессе эксплуатации геометрии ее каналов вследствие засоления или загрязнения. Данных о влиянии этого явления на технико-экономические показатели энергоустановок имеется недостаточно, а приведенные ниже результаты отдельных исследований, полученные на натурных образцах, не систематизированы, глубоко не изучены и экспериментально не апробированы, что затрудняет их использование при конструировании турбоблоков.

Так, предлагаются ориентировочные оценки, согласно которым каждый килограмм отложений в проточной части паровой турбины К-100-90 вызывает снижение КПД цилиндра высокого давления приблизительно на 1 % [3].

На одной из электростанций максимальная мощность блоков - 160 МВт - за несколько месяцев снизилась на четверть. Вскрытие турбины показало, что средний уровень толщины солеотложений составлял 1,5 ... 2 мм. [7].

Загрязнение компрессоров в газотурбинной установке ГТ-25-700 через каждые 100 ч работы приводило к снижению КПД компрессора высокого давления на 6...7 % и степени повышения давления на 10 % [5].

Опыт эксплуатации ГТУ компрессорных станций (КС) магистральных газопроводов показал, что загрязнение проточной части компрессоров преимущественно развивается в первых трех ступенях, где наибольшие отложения наблюдаются на выпуклой стороне лопаток. Это может привести к уменьшению расхода воздуха на 5…6 % и КПД осевого компрессора на 2…3 %, что вызовет снижение полезной мощности установки на 10 % и КПД на 2…5 % [4].

Особенно интенсивно образуются соли в компрессорах ГТУ КС, расположенных в промышленных центрах, где налеты на лопаточных венцах содержат до 70 % органических веществ, в то время как в установках, работающих в южных районах, процесс формирования отложений протекает не столь активно и состоят они преимущественно из сухих минеральных компонентов. Связующими в налетах являются в основном неэкстрагируемые эфиром вещества (масла).

Ввиду высокой интенсивности загрязнения проточных частей компрессоров и турбин существенно меняются в процессе эксплуатации характеристики корабельных ГТУ. В зависимости от условий количество солей в воздухе перед этими установками колеблется от 0,01 до 0,04 мг/л. При попадании масла в проточную часть компрессора (вследствие износа лабиринтовых уплотнений и малоэффективной их работы, при пониженной мощности из-за недостаточного подпора воздуха, что особенно проявляется на режимах авторотации) в лопаточных каналах формируется суспензия, состоящая из масла, солей морской воды, пыли, продуктов неполного сгорания отработавших газов главных и вспомогательных дизелей и др. Вязкость суспензии превышает вязкость чистого масла в 150…200 раз, что вызывает образование плотных отложений на деталях проточной части и падение мощности вследствие снижения КПД энергоблока.

Характеристики корабельных газотурбинных установок (рис. 1, кривые 1 - 3) показывают, что при определенных условиях через 100 ч работы их КПД может снизиться на 5…6 %. Причем в наибольшей степени это свойственно турбомашинам малых кораблей из-за невозможности рационального размещения в их отсеках воздухозаборных шахт, что приводит к попаданию в них значительно большего объема влаги, чем в крупнотоннажных судах. В наибольшей мере это проявляется в периоды повышенного волнения моря.

Значительному засолению подвержена также проточная часть турбин геотермальных электростанций (ГеоЭС). Нагреваемый под действием магматического источника тепла геотермальный пар содержит более 1000 различных химических соединений, примесей и газов, основу которых составляют минералы (силикаты и алюмосиликаты). Вследствие заноса лопаточных каналов снижение мощности таких турбоблоков может достигать 5…10 %, а иногда 20 % и более от номинальных значений [8]. Так, на ГеоЭС «Wairakei» отмечено резкое снижение мощности нескольких турбин номинальной мощностью 11,2 МВт (рис. 1, кривая 4).

Рис. 1. Зависимости относительных значений КПД компрессоров и мощности турбоблоков от времени эксплуатации (без удаления отложений из проточной части): 1, 2 - = f(ф) - ГТУ соответственно типа «Гатрик» и танкера «Орис» (Англия); 3, 4 - соответственно упомянутые ГТУ - = f(ф) [1] - и ПТУ ГеоЭС- = f(t)

Исследование геотермальных установок показало, что наибольшие отложения солей и примесей в турбинных решетках образуются у горл сопл, а также на периферии и у корня лопаток в зонах вторичных течений пара, т.е. основным механизмом выпадения мелких частиц на поверхность профилей является инерционно-турбулентный перенос в пограничном слое, причем в их составе на рабочих лопатках таких энергоблоков превалирует Fe3O4. Интенсивность образования твердых отложений возрастает с увеличением их размеров и, следовательно, шероховатости поверхностей каналов.

В работе [2] исследованы характер и уровень солеотложений в ступенях паровых турбин типа К-300-240. Установлено, что занос лопаточного отсека развивается преимущественно в направляющем аппарате (НА). Максимальная толщина отложений на поверхности рабочих лопаток (РЛ) составляет 0,04…0,15 мм, в то время как под бандажом она достигает 7 мм. Измерения толщины отложений на направляющих лопатках (НЛ) позволили установить значительную неравномерность распределения их уровня вдоль профиля. При этом в ступенях наибольший налет солей наблюдался на спинке НЛ и под бандажом рабочего колеса (РК).

Состав и количество образующихся отложений в проточной части такой турбины одного из блоков Черепетской ГРЭС показаны на рис. 2.

Рис. 2. Отложения и их состав по ступеням турбины К-300-240

засоление проточный геотермальный турбомашина

Изложенное свидетельствует об исключительной актуальности рассматриваемой проблемы, составляющей предмет исследования. Влияние загрязнения лопаточных венцов турбомашины на ее характеристики изучалось на трехзвенном (полуторном) отсеке (НА1 + РК1 + НА2). Объектом исследования служили модели 18 и 19 ступеней турбины К-800-240.

Рис. 3. Характер отложений в проточной части турбины: а - на РЛ; б - на НЛ

Наиболее вероятное расположение и размеры отложений были приняты на основании показателей работы [2] и расчетно-теоретических исследований. Моделирование отложений осуществлялось путем нанесения специального пленочного материала под бандажом РЛ (рис. 3а) и на вогнутую и выпуклую стороны НЛ. Отложения на выпуклой стороне были в 2 раза толще, чем на вогнутой, и наносились за миделевым сечением профиля НЛ (рис. 3б).

При исследованиях степень заноса рабочих каналов = (Др/12 )100 % (Др - максимальная толщина отложений под бандажом, 12 - длина РЛ) и степень загромождения НА=(Дн / t sin а1)100 % (Дн -- максимальная толщина отложений на профильной части НЛ, t - шаг, а1 - угол выхода из НЛ) принимались в диапазоне, представляющем наибольший практический интерес. Значения основных критериев гидродинамического подобия на выходе из НА составляли ; .

Посредством траверсирования и регистрации давления по обводам проточной части изучалось влияние отложений в решетках НА и РК на параметры потока в ступени и ее реактивность с, а также на величину осевого усилия Рл на РЛ при различных режимах работы отсека.

Как показали испытания исходного варианта ступени (с чистой проточной частью), оптимальный режим работы характеризуется отношением и/Со = 0,6, при котором достигается расчетный КПД. В исследованном диапазоне режимов работы корневая степень реактивности ступени с' почти линейно изменяется в зависимости от отношения и/ Со (рис. 4, кривая 1' ). На периферийную степень реактивности с'' изменение режима работы влияет значительно меньше (рис. 4, кривая 1'').

Влияние отложений в РК (при чистом НА) на характеристики турбинной ступени было исследовано при загромождении рабочего венца = 0... 15 %. Испытания показали, что занос РК существенно влияет на характеристики с' = f (и /Со), с" = f (u/Со) ступени. Рост отложений под бандажом вызывает смещение обеих характеристик в сторону увеличения степени реактивности (рис. 4, кривые 2', 2''). В большей степени изменяется реактивность у периферии с''.

Рис. 4. Зависимость степени реактивности турбинной ступени от величины заноса проточной части: 1', 1'' - соответственно корневая и периферийная степени реактивности при=0; 2', 2'' - то же при =14,8%; =0; 3', 3'' - то же при =3,52%;=0

Зависимости корневой и периферийной реактивности от степени загромождения РК для оптимального режима работы ступени (рис. 5, кривые 1', 1'') показывают, что с увеличением отложений в PK повышается реактивность ступени, причем такая закономерность сохраняется при всех значениях и/Со. Следует отметить, что рост реактивности у периферии с'' сопровождается перестройкой потока в этой области ступени с возникновением отрицательных меридиональных углов течения.

Рис. 5. Зависимость корневой (с') и периферийной (с'') степеней реактивности ступени при (u/C0)opt от величины заноса проточной части: 1', 1'' - соответственно корневая и периферийная степени реактивности при ==0; 2', 2'' - то же при =1,76%; 3', 3'' - то же при=3,52%

Анализ распределения по высоте выходного сечения ступени полного давления на режиме работы отсека с отношением и/ Со = 0,42 показал, что увеличение отложений в РК сопровождается повышением неравномерности течения (рис. 6). С ростом отложений происходит заметное развитие зоны повышенных потерь энергии, в особенности у периферии ступени, уменьшение в этой области угла выхода потока из РК.

Влияние толщины отложений на НА (при чистых РЛ) исследовано в диапазоне изменения = 0...3,52 %. Установлено, что отложения на НЛ больше влияют на реакцию ступени, чем засоление РЛ (рис. 4, кривые 3', 3''), хотя характер рассматриваемых зависимостей не претерпевает заметных изменений. Увеличение отложений в НА от 0 до 1,76 % вызывает некоторое повышение корневой и существенное снижение периферийной степеней реактивности (рис. 5). Дальнейшее увеличение отложений сопровождается меньшим градиентом изменения реактивности с' и с''. Описанный характер изменения реакции ступени наблюдается во всем исследованном диапазоне режимов работы ступени.

Так как шаг НА увеличивается от корня к периферии, а слой отложений на выпуклой стороне профиля создается преимущественно за горловым сечением и практически постоянен по высоте решетки, относительное загромождение сопловых каналов возрастает с уменьшением радиуса сечения. В связи с этим у корня создается большее сопротивление потоку и перераспределяется расход рабочего тела вдоль высоты проточной части с его увеличением в периферийной области.

Рис. 6. Распределение полного давления по высоте проточной части за РЛ при u/C0=0,42: _ -=0; - =5,46%; - =13%

Это сопровождается соответствующим перераспределением по высоте канала скорости потока, что вызывает рост реактивности у корня (с') и снижение - у периферии (с''). При значении заноса НА = 1,76 % в корневой области минимальным проходным сечением является не горло исходной решетки, а сечение между выходной кромкой НЛ и некоторой точкой на спинке смежной лопатки, т.е. создается дополнительный диффузорный эффект, вызывающий снижение корневой реактивности с'. У периферии продолжается уменьшение реактивности и при заносе НА > 1,76 % , но с меньшей интенсивностью. Таким образом, увеличение отложений в НА до =1,76 % сопровождается снижением градиента степени реактивности по высоте проточной части. Дальнейшее увеличение отложений в НА приводит к уменьшению реакции ступени при незначительно меняющемся градиенте dс / dl.

Рис. 7. Зависимость относительного осевого усилия от заноса проточной части при (u/C0)opt: 1 - 5 - = f () соответственно при =0; 1,82; 6,5; 11,2; 15,1%; 6 - 8 - =f() соответственно при =0; 1,76; 3,52%

Было также исследовано влияние одновременного заноса НА и РК на характеристики турбинной ступени при различном соотношении толщины отложений в РК () и НА (), обусловленных конкретными условиями эксплуатации установки. Отложения на лопатках наносились в том же диапазоне величин, что и в предыдущих испытаниях.

Опытные характеристики с'= f ( , ) и с''=f (, ) приведены на рис. 4. Установлено, что отложения в НА и РК влияют на реактивность ступени практически независимо друг от друга. При всех исследованных значениях толщины отложений на HЛ характер зависимостей корневой и периферийной степеней реактивности от уровня заноса РК остается практически адекватным: при увеличении отложений в РК значения степеней реактивности с' и с'' возрастают, причем у периферии степень реактивности изменяется более заметно, чем у корня.

Из рис. 5 видно, что рост отложений на НЛ приводит к некоторому выравниванию степени реактивности ступени по высоте ее проточной части, что характерно для любых значений ?р.

Установлено также, что загромождение как НА, так и РК вызывает уменьшение коэффициента расхода ступени. В исследованном диапазоне изменения отложений в РК () и НА (), его уменьшение составило около 5 %.

Анализ влияния заноса проточной части на ее характеристики показал, что при этом может существенным образом изменяться осевое усилие, действующее на венец РЛ ступени. С целью оценки его возможных изменений в процессе эксплуатации турбин построены зависимости =Рл/Рлр = f ( , ). Здесь Рл -- осевая нагрузка на венец РЛ в ступени с отложениями на лопатках, полученная посредством анализа полей давлений перед и за РК; Рлр -- то же в чистой ступени. На рис. 7 видно, что отложения на РЛ вызывают существенный рост усилия .

Рис. 8. Влияние засоления в НА и РК на КПД ступени: а - ; б -; 1 - 3 - при =0; 1,76; 3,52%; 4 - 6 - при = 0; 1,82; 15,1%

Можно считать, что применительно к ступени со средними значениями отношения d/l каждый процент уменьшения проходного сечения РК вызывает примерно такой же уровень роста осевой нагрузки на лопаточный венец. Занос НА приводит к некоторому снижению осевого усилия. Характерно, что зависимости Р л = f ( , ) сохраняют адекватность во всех исследованных диапазонах загрязнения проточной части.

Исследование влияния отложений в проточной части на экономичность работы турбинной ступени показало, что при всех значениях засоления НА на оптимальном режиме работы ступени образование малых заносов бандажной ленты (?2 %) способствует некоторому повышению эффективности ступени (на ? 0,5 %), что объясняется снижением вихревых потерь в периферийном сечении (рис. 8). Дальнейшее увеличение заноса РК при любых отложениях в НА , так же как и засоление НА при различных уровнях отложений в РК , сопровождается снижением КПД турбинного отсека.

Таким образом, отложения на решетках РК турбомашин приводят к росту осевого усилия ротора и потерь энергии теплоносителя, уменьшению его расхода, снижению экономичности и надежности энергоустановок, что указывает на необходимость использования высокоэффективных систем водоподготовки и сепарации пара в ПТУ, применения современных воздухоочистительных комплексов и качественных видов топлива в ГТУ, регулярного контроля уровня загрязнения проточной части и своевременной ее очистки.

Список литературы

1. Горелов, В.И. Эксплуатация корабельных газотурбинных установок / В.И. Горелов. - М.: Воениздат, 1972. - 312 с.

2. Золотарева, В.А. Исследование образования отложений и их влияние на физические процессы и технико-экономические характеристики турбинных установок тепловых электрических станций: автореф. дис. канд. техн. наук/ В.А. Золотарева. - Минск: БПИ, 1980. - 21 с.

3. Зусмантович, Л.Б. Влияние заноса солями проточной части турбин К-100-90 ЛМЗ на их экономичность / Л. Б. Зусмантович, М. А. Марьянчук // Теплоэнергетика. - 1969. - №10. - С. 41-44.

4. Козаченко, А.Н. Эксплуатация компрессорных станций магистральных газопроводов / А.Н. Козаченко. - М.: Нефть и газ, 1999. - 463с.

5. Ольховский, Г.Г. Исследование загрязнений компрессоров ГТУ мощностью 25 МВт / Г.Г. Ольховский, И.Н. Скрипский, Э.В. Рочин // Теплоэнергетика. - 1970. - №11. - С. 20 - 24.

6. Семенов, В.Н. Образование отложений в проточной части турбин ГеоЭС / В.Н. Семенов, Г.В. Томаров, К.О. Поваров, М.Л. Безотечество // Тяжелое машиностроение. - 2002. - №8. - С.40 - 45.

7. Трухний, А.Д. Стационарные паровые турбины / А.Д. Трухний. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 640с.

8. Hibara, Y. Steam purities of geothermal plant / Y. Hibara, N. Hara, H. Sakanashi / Geothermal Resources Council // Transaction. - 1980. - Vol. 11. - S. 3 - 21.

Размещено на Allbest.ru